DE19901823B4

DE19901823B4 - Schweißbolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19901823B4
Application number: DE1999101823
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dostal; Gerhard Brenninger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: DE19901823A1

Abstract

Schweißbolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere zum Lichtbogenbolzenschweißen, der durch Umformen hergestellt worden ist und einen Befestigungsabschnitt (12) sowie einen sich an diesen anschließenden Anschweißflansch (16) hat, mit dem der Schweißbolzen (10) an einem Bauteil verschweißbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschweißflansch (16) zumindest an seiner mit dem Bauteil zu verschweißenden Kontaktfläche zusätzlich spanend bearbeitet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißbolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere zum Lichtbogenbolzenschweißen, der durch Umformen hergestellt worden ist und einen Befestigungsabschnitt sowie einen sich an diesen anschließenden Anschweißflansch hat, mit dem der Schweißbolzen an einem Bauteil verschweißbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 zur Herstellung eines Schweißbolzens.

Insbesondere bei Schweißbolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wie beispielsweise AlMg₅ oder AlMg₃ besteht das Problem, daß sich aufgrund der Materialeigenschaften des Aluminiums in der Schweißzone und der Wärmeeinflußzone häufig Poren, Risse, Lunker, Bindefehler oder Unterschneidungen ausbilden. So werden derartige Fehler in der Schweißzone und der Wärmeeinflußzone bei Aluminium oder Aluminiumlegierungen hauptsächlich durch Aluminiumoxid wie Al₂O₃ verursacht, das vor dem Schweißen als dünne Oxidschicht auf der Oberfläche des Schweißbolzens ausgebildet war und während des Schweißens in das geschmolzene Material gelangt. Ferner wird die Porenbildung durch die Aufnahme von Wasserstoff aus der Umgebung durch das Aluminium oder durch Verunreinigungen (Schmiermittelreste) von der Bolzenherstellung begünstigt. Aus diesem Grund ent steht eine hohe Fehlerrate beim Lichtbogenbolzenschweißen von Schweißbolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Aus Kostengründen werden die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Schweißbolzen üblicherweise durch Umformen, vorzugsweise Kaltverformen hergestellt. Durch das Umformen wird die an der Oberfläche des Ausgangsmaterials anhaftenden Aluminiumoxide oder Verunreinigungen wie Öle und Schmiermittel in den Werkstoff des Schweißbolzens eingeknetet, so daß der Werkstoff auch in tieferen Schichten verunreinigt ist und folglich die Qualität der späteren Schweißverbindung zusätzlich negativ beeinflußt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schweißbolzen der eingangs genannten Art bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schweißbolzens so weiterzubilden, daß der Schweißbolzen mit hoher Prozeßsicherheit und geringer Fehlerrate schweißbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten bzw. sechsten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den von den jeweiligen Hauptansprüchen abhängigen Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißbolzen wird der durch das Umformen gebildete Anschweißflansch, über den der Schweißbolzen am Bauteil verschweißt wird, zumindest im Bereich seiner Kontaktfläche nach dem Umformen zusätzlich spanend bearbeitet, um die in der Oberfläche des Werkstoffes eingeknetete Aluminiumoxide und Verunreinigungen zu entfernen. Dadurch wird erreicht, daß der Teil des Anschweißflansches, der während des Schweißvorganges angeschmolzen wird, allenfalls noch Restmengen der die Schweißverbindung beeinträchtigenden Substanzen enthält. Auf diese Weise kann die Bildung von Poren, Lunkern, Oxideinschlüssen und ähnliches wirksam verhindert werden, so daß die Fehlerrate bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schweißbolzen verglichen mit der Fehlerrate herkömmlicher Schweißbolzen aus Aluminium und einer Aluminiumlegierung deutlich geringer ist. Dadurch ist auch die Prozeßsicherheit des Schweißverfahrens verbessert, so daß sich das Schweißverfahren bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schweißbolzen auch für eine automatisierte Fertigung eignet.

Da auch Verunreinigungen und Oxide, die nicht unmittelbar an der Kontaktfläche des Anschweißflansches anhaften, während des Schweißvorganges in die Schmelze gelangen können, ist die Weiterbildung nach Anspruch 2 von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 hat den Vorteil, eine glatte Oberfläche zu erzielen. Dies hat, verglichen mit einer rauhen Oberfläche, in der sehr viele Riefen und Vertiefungen ausgebildet sind, eine geringere Angriffsfläche für den Luftsauerstoff, so daß die entstehende Oxidmenge geringer ist. So sollte die bearbeitete Oberfläche eine Rauhigkeit besitzen, wie sie durch Schlichten oder Feinschlichten erzeugt werden kann. Als Bearbeitungsverfahren eignet sich hierzu beispielsweise das Drehen oder Fräsen.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird einerseits sichergestellt, daß die während des Umformens in den Werkstoff eingeknetete Menge an Oxiden und Verunreinigungen gering ist. Andererseits ist die elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung um so größer, je geringer der Kaltverformungsgrad ist, so daß die Schweißfähigkeit des Schweißbolzens verglichen mit einem stärker kaltverformten Schweißbolzen verbessert ist.

Bei dem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6 behält zumindest der Anschweißflansch in dem Bereich, der später spanend bearbeitet werden soll, ein Aufmaß. Die anderen Abschnitte des Schweißbolzens können bereits vollständig ausgebildet sein. So kann der Befestigungsabschnitt beispielsweise mit einem fertigen Gewinde oder einem fertigen Nietschaft versehen sein.

Nach dem spanenden Bearbeiten wird der Schweißbolzen vorteilhafterweise gereinigt, damit eventuell anhaftende Verunreinigungen wie Schmiermittel aus der spanenden Bearbeitung entfernt werden, die andernfalls die Qualität der Schweißverbindung nachteilig beeinflussen würden. Zum Reinigen des Schweißbolzens werden organische Lösungsmittel verwendet. Ferner ist auch der Einsatz anorganischer Säuren möglich, die als Beizmittel dienen und mit an der Oberfläche des Schweißbolzens anhaftenden, durch Lösungsmittel nicht entfernbaren chemischen Verbindungen reagieren und diese ablösen.

Da sich die Aluminiumoxidschicht in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur innerhalb weniger Stunden oder Tage erneuern kann und eine nochmalige spanende Bearbeitung wenig sinnvoll ist, wird ferner vorgeschlagen, die Oberfläche des Schweißbolzens nach der spanenden Bearbeitung bzw. nach dem Reinigen zu passivieren. Zu diesem Zweck wird der Schweißbolzen in einem Elektrolytbad oder in einem Salzbad mit einem dünnen Metallüberzug beispielsweise aus Titan und Zirkonium beschichtet, dessen Schichtdicke auf wenige Nanometer beschränkt ist. Durch das Passivieren wird die erneute Bildung einer Aluminiumoxidschicht verzögert, so daß der Schweißbolzen auch noch Monate, nachdem er hergestellt worden ist, verwendet werden kann, ohne daß die Qualität der Schweißverbindung gemindert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur einen erfindungsgemäßen Schweißbolzen zum Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung.
Die einzige Figur zeigt einen Schweißbolzen 10 aus Aluminium (Al 99,5). Der Schweißbolzen 10 hat einen zylinderförmigen Befestigungsabschnitt 12, an dem ein metrisches Gewinde 14 ausgebildet ist, und einen sich an den Befestigungsabschnitt 12 anschließenden, gleichfalls zylinderförmigen Anschweißflansch 16. Die in der Figur links dargestellte Stirnseite des Anschweißflansches 16 ist als Kegelspitze 18 ausgebildet, mit der der Schweißbolzen 10 auf den Bauteil, beispielsweise ein Karosserieblech eines Kraftfahrzeuges, zum Schweißen aufgesetzt wird.
Als Ausgangswerkstoff für den Schweißbolzen 10 dient ein Aluminiumdraht, dessen Durchmesser etwas größer ist, als der Außendurchmesser des am Befestigungsabschnitt 12 ausgebildeten Gewindes 14. Der Aluminiumdraht wird in ein Formwerk zeug eingelegt und anschließend durch Kaltverformung umgeformt. Nach dem Umformen ist der Schweißbolzen 10, bis auf den Anschweißflansch 16, vollständig ausgebildet, d.h. der Befestigungsabschnitt 12 hat seine endgültige Form einschließlich des Gewindes 14.
Der Anschweißflansch 16 ist dagegen so ausgeformt, daß sein Außendurchmesser verglichen mit dem Durchmesser des Ausgangsmaterials größer ist, wie in der Figur durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Dadurch wird erreicht, daß an der Oberfläche des Aluminiumdrahtes vor dem Umformen ausgebildetes Aluminiumoxid und anhaftende Verunreinigungen nach dem Umformen nur in den äußeren Randschichten des Anschweißflansches 16 eingepreßt sind. Dabei sollte der Kaltverformungsgrad des Anschweißflansches 16 nicht größer als 15% sein, um sicherzustellen, daß nur die angesprochenen Randbereiche verunreinigt sind.
Nach dem Umformen wird der Anschweißflansch 16 auf sein endgültiges Maß abgedreht, wobei die mit Aluminiumoxid und anderen Substanzen verunreinigten Randschichten vollständig entfernt werden und die fertig bearbeitete Oberfläche eine Rauhigkeit besitzt, wie sie durch Feinschlichten erzeugt wird. Ist das spanende Bearbeiten des Schweißbolzens 10 abgeschlossen, wird der Schweißbolzen 10 zunächst mit organischen Lösungsmitteln entfettet und anschließend mit anorganischen Säuren gebeizt. Nach dem Beizen wird der Schweißbolzen 10 schließlich in einem Salzbad passiviert, wobei die gesamte Oberfläche des Schweißbolzens 10 mit einer Titan-Zirkonium-Metallschicht überzogen wird.

10: Schweißbolzen
12: Befestigungsabschnitt
14: Gewinde
16: Anschweißflansch
18: Kegelspitze

Claims

Schweißbolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere zum Lichtbogenbolzenschweißen, der durch Umformen hergestellt worden ist und einen Befestigungsabschnitt (12) sowie einen sich an diesen anschließenden Anschweißflansch (16) hat, mit dem der Schweißbolzen (10) an einem Bauteil verschweißbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschweißflansch (16) zumindest an seiner mit dem Bauteil zu verschweißenden Kontaktfläche zusätzlich spanend bearbeitet ist.
Schweißbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschweißflansch (16) zumindest an seiner Stirnseite spanend bearbeitet ist.
Schweißbolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bearbeitende Fläche geschlichtet ist.
Schweißbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbolzen (10) durch Kaltverformen hergestellt worden ist, und daß der Verformungsgrad zumindest im Material des Anschweißflansches (16) kleiner als 15% ist.
Schweißbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Kontaktfläche des Schweißbolzens (10) passiviert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Schweißbolzens (10) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem das Ausgangsmaterial des Schweißbolzens (10) durch Umformen derart verformt wird, daß sich ein Befestigungsabschnitt (12) und ein sich an diesen anschließender Anschweißflansch (16) ausbildet, mit dem der Schweißbolzen (10) am Bauteil verschweißbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Kontaktfläche des Anschweißflansches mit Übermaß hergestellt wird und nach dem Umformen durch spanendes Bearbeiten auf Sollmaß gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Stirnseite des Anschweißflansches auf Sollmaß gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Stirnseite geschlichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbolzen (10) nach dem spanenden Bearbeiten gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbolzen (10) zum Reinigen gebeizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbolzen (10) nach dem spanenden Bearbeiten und/oder nach dem Reinigen passiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbolzen (10) zum Passivieren in ein Galvanisierungsbad oder ein Salzbad getaucht wird.