DE19757394A1 - Verfahren zum Fügen von elektrisch leitfähigen Teilen und Vorrichtung zu seiner Durchführung - 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 nach Patentanmeldung 197 35 219.7.

Bisher sind schlecht auf der Gegenseite für Elektroden zu kontaktierende elek­ trisch leitfähige Bauteile, insbesondere Hohlkörper wie lange, geschlossene Profile oder große Massivteile meist nur durch thermisches Verbinden mit Schweißzusatz­ werkstoff, Lötmaterial 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 Verbindungsvor­ gang Schweißen oder Löten notwendig und die Teile verlieren teilweise ihre Maßhal­ tigkeit oder aber das Material erleidet eine nachteilige Gefügeumformung (bspw. bei kaltverfestigten Teilen, die aus Kalt-Umformverfahren stammen, wie dem Innenhoch­ druckumformverfahren. 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. Es ist auch bekannt, einseitig indirekt zu schweißen, wobei ein Material mit sehr guter Leitfähigkeit (sog. Unterkupfer) unter leitfähige, zu verbindende Bleche gelegt und die Elektroden einseitig von der anderen Seite zugeführt werden. Der Nachteil des einseitigen indirekten Schweißens besteht darin, daß der Schweißstrom dazu neigt, auszuwandern, so daß Schweißstellen an völlig anderen, als den erwünschten Punkten, entstehen. Diese Neigung kann durch den Einsatz des sog. Unterkupfers nur unvollkommen vermieden werden.

Ein besonderes Problem stellt die Verbindung von Kohlteilen, die nicht von in­ nen zugänglich sind, wie sie in neuerer Zeit durch das Innenhochdruckverfahren in erhöhtem Maße eingesetzt werden, mit anderen Teilen, wie Blechen, anderen, bspw. aufgesteckten - Hohlteilen, dar.

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 Kon­ struieren mit innenhochdruckumgeformten Präzisionswerkstücken" oder auch "Werkstoff und Betrieb 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, zur Herstellung von hohlen Nockenwellen, zur Herstellung von Raumlenkerachsen aber auch zur Herstellung von Kraftfahrzeu­ grahmenteilen eingesetzt.

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

Um das nachteilige Aufheizen ganzer durch Kaltumformverfahren verfestigter Teile zu vermeiden, konnte man bei elektrisch leitfähigen Teilen, wie sie insbeson­ dere im Automobilbau od. dgl. eingesetzt werden, Widerstandsschweißen einsetzen, da dort der zum Schweißen eingesetzte Strom besser punktuell zwischen zwei Ge­ genpol-Elektroden aufheizt, jedoch ließ sich dieses Verfahren nur dann verfahrenssi­ cher einsetzen, wenn die zu verbindenden Teile von zwei Seiten zugänglich waren. Daher traten - vor allem beim flächigen Verbinden von Hohlkörpern, langen geschlos­ senen Profilen oder großen Massivteilen mit anderen Teilen, wie bspw. Blechen, im­ mer das Problem auf, daß aufgrund der Unzugänglichkeit der anderen Seite dieses günstige Verfahren nicht oder in nicht ausreichend reproduzierbarer Verfahrenssi­ cherheit eingesetzt werden konnte, da große Wegstrecken zwischen den Elektroden zu überwinden waren, da sehr hohe Verbindungsströme benötigt wurden und/oder verstärkt Nebenschlüsse auftraten. Die entsprechenden Anlagen waren daher sehr groß und platzaufwendig.

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.

Daher wurde durch die deutsche Patentanmeldung 197 35 219.7 des gleichen Er­ finders ein Verfahren zum Verbinden von Teilen durch Widerstandsschweißen ge­ schaffen, das auch bei Teilen einsetzbar ist, die nur von einer Seite leicht zugänglich sind.

Dabei wurde ein Verfahren zum Verbinden von elektrisch leitfähigen Teilen durch Aufheizen mittels elektrischen Stroms geschaffen, bei dem Elektroden unter­ schiedlicher Polung von der gleichen Seite der zu verbindenden Teile zugeführt wer­ den, 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.

Das Verfahren der P 197 35 219 war bereits überraschend vorteilhaft, jedoch be­ schäftigte es sich mit einem Verfahren, das stets eine äußere Ringelektrode ein­ setzte. Außerdem sah es meist eine Bohrung vor, bei der die beiden Elektroden je­ weils ein anderes der beiden zu verbindenden Blechteile berührten, so daß ggf. Öff­ nungen im oberen Blech geschaffen werden mußten, um eine Kontaktierung des un­ teren Blechs mit einer der Elektroden zu ermöglichen.

Der Einsatz einer einzigen Gegenelektrode war in einigen Fällen unerwünscht, insbesondere dann, wenn linienförmig angeordnete Schweißpunkte erzielt werden sollten oder wenn dreidimensional gebogene Teile miteinander verbunden werden sollen, wie bspw. kreisförmig gebogene Abschnitte, da eine Ringelektrode eine ebene Auflagefläche verlangt, um über ihre gesamte Auflagefläche Kontakt mit der darunter­ liegenden Oberfläche herzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, das bekannte Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung dahingehend weiterzubilden, daß auch andere Schweißstellen, als durch Ringaußenelektroden möglich, hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma­ len des Patentanspruches 1.

Überraschenderweise konnte gefunden werden, daß auch in Fällen, wo mehrere Gegenelektroden, die eine Zentralelektrode umfassen, ein Auswandern des Lötstroms vermieden werden kann und somit durch eine Zentralelektrode mit mindestens zwei Gegenelektroden, die diese umgeben und so den Stromfluß begrenzen, linienförmig bzw. andere Formen von Schweißpunkten, als beim Einsatz von Ringelektroden möglich, eingesetzt werden können. Dabei wurde auch gefunden, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn ein sehr leitfähiges Material unter den zu verbindenden Teilen angeordnet wird, durch das sodann ein Stromfluß erfolgt, eingesetzt wird. Über­ raschend ist, daß nun vollständig einseitig gearbeitet werden kann und das Vorsehen von Öffnungen im oberen Blech, um eine Elektrode durchtreten zu lassen, vermieden werden kann.

Überraschend ist, daß sich durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung nun auch unebene Teile, die nur von einer Seite zugänglich sind, verschweißen lassen, wie ineinandergesteckte Hohlteile, die so gut aufeinanderliegen, daß eine ausreichende Stromleitung zwischen beiden Teilen erfolgt, um Schweißen zu können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da an sich bekannte Vorrichtungen zum Punktschweißen leicht für das Verfahren adaptierbar sind und so aufwendige apparative Umkonstruktionen vermieden werden können.

Gegenüber dem bekannten Punktschweißverfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch fortentwickelt, als durch die Eingrenzung des Stromflusses durch die eine durch Gegenelektroden eingegrenzte Zentralelektrode das beim Punkt­ schweißen üblicherweise auftretende Auswandern des Stroms, was zu Energieverlu­ sten und auch zu unerwünschter Erhitzung anderer Stellen, als der Schweißstelle, führen konnte, vermieden werden kann. Durch die "Eingrenzung" des Stroms kann nun in überraschender Weise das Auswandern des Stroms vermieden werden.

Falls zwischen den Teilen ein leitfähiges Lötmaterial angeordnet wird, kann das Verfahren zu einem Lötverfahren werden.

Bspw. werden Hohlkörper, geschlossene Profile oder Massivteile mit Blechen verbunden. Eine typische Anwendung ist die Verbindung von Trägerteilen im Fahr­ zeugbau, wobei darin auch Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge enthalten sind, mit Ble­ chen - ein typisches Einsatzgebiet ist die Verbindung zwischen Trägerteilen der Bo­ dengruppe eines Automobils mit Blechen, wie Bodenblechen - es können aber auch im Flugzeugbau hohle Rohre mit Blechen verbunden werden od. dgl. Dem Fachmann sind entsprechende 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 Spannungsver­ sorgung zum Anlegen hoher Spannung unterschiedlichen Potentials an die Elektro­ den.

Es kann vorteilhaft sein, daß eine Elektrode als Hohlkörper - bspw. als Hohlzy­ linder - 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 nichtleitenden Außenmantel der Elektrode stattfindet), und die anderen Elektrode das darunterliegende Teil kontaktiert und derart Spannungen unterschiedli­ cher 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 Kunststoffmaterial, wie Teflon oder aber auch Keramik. Es ist bevorzugt, daß dieses Isoliermaterial nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch isoliert, um das Elektro­ denmaterial zu schonen.

Für viele Anwendungen ist es besonders vorteilhaft, daß die Innenelektrode durch Isoliermaterial außer an den Kontaktstellen überdeckt ist, bspw. eine Porzellan- Kunststoff- 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, geschlossenen Profilen oder großen und/oder dicken Gegenständen mit zumindest teilweise flächig anliegenden Blechen.

Aufgrund der extrem kurzen Stromwege von einer Elektrode über die Schweiß­ zone zur umgebenden Gegenelektrode(n) die das erfindungsgemäße Verfahren bie­ tet, erscheint es aber auch geeignet, in bestimmten Fällen, wo gute beidseitige Zu­ gänglichkeit bestünde, das an sich bekannte Punktschweißen mit Gegenelektrode durch das erfindungsgemäße Verfahren zu substituieren. Nämlich dort, wo Neben­ schlüsse durch zu geringen Schweißpunktabstand drohen, oder wo Bleche mit sehr unterschiedlichen Wandstärken verschweißt werden sollen. Die Nebenschlußgefah­ ren, 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 be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigt, auf die diese aber keineswegs be­ schränkt 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; und

Fig. 4 einen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verschweißen von ineinandergesteckten Hohlteilen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das erfindungsgemäße Widerstandsverbinden zum Verbinden von Blechen und Hohlkörpern 40 mit Blech 30 eingesetzt werden. Hierbei wird ein 0,8 mm dickes ST37 Stahlblech an einen durch Innenhochdruckum­ formen hergestellten ST37-Hohlkörper 40 mit einer Wandstärke von 2, 5 mm in Schweißposition gelegt. Alle Elektroden 10, 20 werden mit der Außenoberfläche des obenliegenden Bleches 30 in elektrischen Kontakt gebracht, wobei die Innenelek­ trode von zwei Gegenelektroden 20, die hier kreisabschnittförmig ausgebildet sind - umgegeben ist. (Selbstverständlich ist auch jede andere Anordnung möglich, durch welche die innere Elektrode von Gegenelektroden zum Vermeiden des Auswanderns von Strom umgeben ist, ohne Kontakt mit der äußeren Elektrode zu bekommen). Hier wurde als Elektrodenmaterial eine Kupferlegierung, nämlich CuCr Zr eingesetzt, um optimale elektrische, aber auch thermische Leitfähigkeit bei guter Standzeit zu erzie­ len. Selbstverständlich können auch andere, dem Fachmann bekannte elektrisch gut leitfähige Materialien für die Elektroden eingesetzt werden. Nach Anlegen einer Schweißspannung an die Elektroden und Fluß des Schweißstroms durch die zu ver­ bindenden Teile zwischen den gegenpoligen Elektroden in der Umgebung der Zentra­ lelektrode wird nun ein Widerstandsschweißvorgang eingeleitet, wobei der Weg des Stromes nur in etwa dem Abstand Zentralelektrode/Gegenelektroden plus der Blechstärke entspricht. Hierbei kann zur Unterstützung des Schweißvorgangs axial Druck auf die Elektrode/n 20 aufgebracht werden. Dadurch können die zu ver­ schweißenden Teile 30, 40 definiert und in wiederholbarer Güte miteinander verbun­ den 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 Aus­ gangsmaterial und Anforderungen an Verbindungstemperatur und Verbindungsart, auch verlötet werden können.

In Fig. 2 ist eine weitere mögliche Anordnung der Elektroden gezeigt. Hierbei handelt es sich um eine "Zentralelektrode" 10, um die zwei Gegenelektroden 20 als Teile eines Hohlzylinders ausgebildet sind. Hierbei ist es wichtig, daß der Vorschub der Elektroden 10, 20 variabel ist, damit Materialien verschiedener Dicke miteinander verbunden werden können. Zwischen den Elektroden kann hierbei ein Isoliermaterial, wie z. B. Keramik, Porzellan od. dgl. angebracht sein, um einen unerwünschten Span­ nungsüberschlag zwischen den beiden Elektroden zu vermeiden. In den meisten Fäl­ len reicht jedoch eine Isolierung durch Luft oder Gas aus. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann geläufig.

In Fig. 3 ist eine weitere möglicher Anordnung der Elektroden gezeigt. Hierbei sollen zwei Materialien bspw. in ihrem Randbereich miteinander verbunden werden. Hier können nun Gegen- und Zentralelektroden 10, 20 am Rand angeordnet werden und die Richtung des Stromflusses noch durch ein unter den Blechen aufgelegtes gut leitfähiges Material verbessert werden, so daß dadurch eine exakte und gute Ver­ schweißung der Bleche im Randbereich nach Anlegen der Schweiß- oder Lötspan­ nung (falls dazwischen ein Lötmaterial aufgebracht ist, kann nun wiederum der Ver­ bindungsvorgang eingeleitet werden, wobei der vom Strom zurückzulegende Weg nur in etwa dem Abstand der beiden Elektroden 10, 20 plus der Materialdicke entspricht., erfolgt. Zwischen den beiden Elektroden kann wiederum bei Bedarf ein Isoliermaterial vorgesehen sein.

In Fig. 4 ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ineinan­ dergesteckte Rohrteile gezeigt. Dabei werden die Zentralelektrode 10 sowie die bei­ den Gegenelektroden 20, die hier eine kleine Auflagefläche haben, auf das Außen­ rohr aufgebracht. Der Schweißstrom fließt nun zwischen der Zentralelektrode und den Gegenelektroden unter Verbindung der beiden ineinandergesteckten Hohlteile.

Die Elektroden können, wie dem Fachmann auf dem Gebiet der elektrischen Schweißtechnik bekannt, selbstverständlich auch in an sich bekannter Weise gekühlt werden. Bei Einsatz supraleitender Materialien, wie von Spezialkeramik, für die Elek­ troden kann selbstverständlich eine entsprechende Kühlung durch flüssiges Helium oder Stickstoff erfolgen.

Weitere Ausgestaltungen und Fortentwicklungen der Erfindung sind im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche dem Fachmann offensichtlich und der Schutzum­ fang ist keineswegs auf die hier beispielhaft aufgeführten Ausführungsformen be­ grenzt, die lediglich zur Erläuterung dienen sollen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Fügen von elektrisch leitfähigen Teilen durch Aufheizen mittels elektrischen Stroms, wobei Elektroden unterschiedlicher Polung von der gleichen Seite der zu verbindenden Teile auf das obere Teil zugeführt werden, 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 nach Patentanmeldung 19735219.7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentralelektrode von einer oder mehreren dieselbe einschließenden Gegenelektroden umgeben ist.

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

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden die Zentralelektrode ringförmig umschließen.

4. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gegenelektroden eingesetzt werden, zwischen denen die Zentralelektrode angeordnet ist.

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

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Material größerer elektrischer Leitfähigkeit als die zu verbindenden Teile unter den zu verbindenden Teilen auf der den Elektroden entgegengesetzten Oberfläche angeordnet wird, um den Stromdurchgang durch die zu verbindenden Teile zu verbessern.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Teile unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wobei die Leitfähigkeit des Teils, das nicht mit den Elektroden in Kontakt steht, höher ist, als die des Teils, das von den Elektroden kontaktiert wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
eine Zentralelektrode (10) und
mindestens eine diese umgebende Gegenelektrode (20), die voneinander isoliert von der gleichen Seite auf zu verbindende Teile (30, 40) aufbringbar sind; und
eine Spannungsversorgung zum Anlegen hoher Stromstärken unterschiedlicher Polung an die Zentralelektrode (10) und die Gegenelektrode(n) (20).

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens Gegenelektrode (20) so ausgebildet ist, daß sie die Zentralelektrode (10) mindestens teilweise umschließt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gegenelektroden (20) vorgesehen sind, die die Zentralelektrode (10) zumindest teilweise zwischen sich einschließen.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich zwischen den Elektroden (10, 20) ein Isoliermaterial (50) befindet.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenelektrode (10) durch Isoliermaterial (50) außer an der Kontaktstelle mit dem zu verbindenden Teil überdeckt ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Ausübung von Druck auf die zu verbin­ denden Teile (30, 40) während des Verbindens aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausübung von Druck durch die Elektroden (10, 20) gebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausübung von Druck die Elektroden und ein leitfähiges, auf der Gegenseite der Elektroden aufbringbares elektrisch gut leitfähiges Gegenstück (45) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek­ troden (10, 20) kühlbar sind.

17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 16 zum Verbinden von Hohlteilen, Rohren oder großen Gegenständen mit Ble­ chen oder anderen Hohlteilen.