DE202010008839U1

DE202010008839U1 - Electrode for seam welding

Info

Publication number: DE202010008839U1
Application number: DE201020008839
Authority: DE
Original assignee: ECKA Granulate GmbH and Co KG
Current assignee: Cep-Compound Extrusion Products De GmbH
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2020-10-20

Abstract

Elektrode für das Rollennahtschweißen dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode einen Kupfer-Kern sowie einen leitfähigen, mechanisch widerstandsfähigen Mantel aus dispersionsverfestigtem Kupfer aufweist.Electrode for seam welding, characterized in that the electrode has a copper core and a conductive, mechanically resistant shell of dispersion strengthened copper.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für das Rollennahtschweißen.The invention relates to an electrode for roll seam welding.

Das Rollennahtschweißen ist ein Verfahren des Widerstandsschweißens, bei dem die als Rollen ausgebildeten Elektroden die Bleche zusammenpressen und den Schweißstrom übertragen. Dadurch, daß die Elektroden als Drehkörper ausgeführt sind und es im Gegensatz zu anderen Widerstandsschweißverfahren auch während des Schweißvorganges eine Bewegung zwischen den zu fügenden Bauteilen und den Rollenelektroden stattfinden kann, werden die Schweißpunkte durch die Rollen so dicht gesetzt, daß eine zusammenhängende dichte Naht entsteht (Quelle: Wikipedia).Roll seam welding is a method of resistance welding in which the electrodes formed as rollers compress the sheets and transmit the welding current. The fact that the electrodes are designed as a rotating body and it can take place in contrast to other resistance welding process during the welding movement between the components to be joined and the roller electrodes, the welds are set by the rollers so tight that a coherent tight seam is formed ( Source: Wikipedia).

Die Lebensdauer von Rollennahtelektroden ist begrenzt und es gelten dieselben Mechanismen wie bei anderen Widerstandsschweißverfahren. Durch die Temperatureinwirkung erweichen die Elektrodenwerkstoffe und die Elektroden verformen sich (”mushrooming”). Dadurch verändern sich die für den Prozess bestimmenden Faktoren Stromdichteverteilung und Joulsche Wärmeentwicklung. Dieser Prozess wird beim Schweißen von verzinkten Blechen durch das Diffundieren von Zink in die Elektrode noch beschleunigt. Beim Rollennahtschweißen werden diese Belastungen der Elektrode durch die dem Verfahren implizite Dauerbelastung noch verstärkt.The lifetime of roller blind electrodes is limited and the same mechanisms apply as with other resistance welding methods. Due to the effect of temperature, the electrode materials soften and the electrodes deform ("mushrooming"). This changes the process-determining factors of current density distribution and Joule heat generation. This process is further accelerated by the galvanizing of zinc into the electrode during the welding of galvanized sheets. In roll seam welding, these stresses on the electrode are exacerbated by the continuous load implicit in the process.

Beim Rollennahtschweißen pressen zwei gegenläufig rotierende Metallrollen zu verschweissende Bleche zusammen. Gleichzeitig fließen mehrere kA Strom zwischen den Rollen und durch die Bleche. Dadurch verbinden sich die Bleche bei lokal hoher Temperatur mit einer Schweissnaht. Die Schweissnaht kann punktgeschweisst oder aber kontinuierlich geschweisst werden. Beim Abfahren der Schweissbahn ist wesentlich, daß die obere und untere Rolle gleichmaessigen Kontakt mit den Blechen haben und die untere Rolle mit der oberen Rolle Schritt hält sowie die geeigneten Stromstärken fließen. Problematisch beim Rollnahtschweissen ist auch, daß die Elektroden bei den hohen Schweisstemperaturen Material aus dem zu verschweissenden Blechen aufnehmen -bspw. Zn aus Zn-beschichteten Blechen. Durch das Einwandern von Fremdionen an die Elektrodenoberfläche tritt das sogenannte „mushrooming” – „Pilzkopfbildung” – auf, wo Ausblühungen von Zn-Verbindungen auf der Oberfläche entstehen, welche die Kontaktfläche der Elektroden verunreinigen und das Schweissen in nachteiliger Weise beeinflussen.In roll seam welding, two counter-rotating metal rolls press together to form sheets to be welded. At the same time, several kA of electricity flow between the rollers and through the sheets. As a result, the sheets combine at a locally high temperature with a weld. The weld can be spot-welded or continuously welded. When starting the welding track is essential that the upper and lower rollers gleichmaessigen contact with the sheets and keep the lower roll with the upper roller step and the appropriate currents to flow. Another problem with roll seam welding is that the electrodes absorb material from the sheets to be welded at the high welding temperatures, for example. Zn made of Zn-coated sheets. Immigrating foreign ions to the surface of the electrode causes so-called "mushrooming", which produces efflorescence of Zn compounds on the surface, which contaminate the contact surface of the electrodes and adversely affect the welding.

Elektroden für das Rollnahtschweissen müssen daher gut elektrisch leitfähig sein und eine ausreichende Härte besitzen, damit sie die zu verschweissenden Bleche zusammenpressen können und nicht zu schnell wegen Abrieb oder Verformung bzw. mushrooming nicht mehr einsatzfähig sind.Electrodes for seam welding therefore have to be highly electrically conductive and have sufficient hardness to compress the sheets to be welded, and they can not be used too quickly due to abrasion or deformation or mushrooming.

Um das Mushrooming zu umgehen, wurde bereits versucht, einen Kupferdraht zwischen den einander zugewandten Kontaktflächen der Elektrodenrollen und des Schweissgutes laufen zu lassen, so daß sich die geschmolzenen Stoffe der verschweissten Bleche am Kupferdraht anlagern/eindiffundieren und mit diesem ständig wegtransportiert werden. Dies hat den Nachteil, daß eine aufwendige Anordnung für die Zu- und Abführung der Drähte vorgesehen sein muß und der sich verbrauchende Kupferdraht einen erheblichen Aufwand erfordert.In order to circumvent the Mushrooming, has already been trying to run a copper wire between the facing contact surfaces of the electrode rollers and the weld material, so that the molten substances of the welded sheets accumulate / diffuse on the copper wire and are constantly transported away with this. This has the disadvantage that a complex arrangement for the supply and discharge of the wires must be provided and the consuming copper wire requires considerable effort.

Aus der DE 2641016 ist bekannt, Rollnahtschweisselektroden aus Kupfer mit einem Werkstückkontaktflächenüberzug einer Dicke von 0,0254–0,000254 mm zu versehen, der insbesondere für das Verschweißen auch von aluminiumhaltigen Blechen aus Nickel, Beryllium, Cobalt, Eisen oder einer hochschmelzenden Legierung dieser Elemente zusammengesetzt ist.From the DE 2641016 It is known to provide roll seam welding electrodes made of copper with a workpiece contact surface coating of a thickness of 0.0254-0.000254 mm, which is composed especially for the welding of aluminum-containing sheets of nickel, beryllium, cobalt, iron or a refractory alloy of these elements.

Gattungsgemäße Rollennahtschweißverfahren und Anlagen dafür sind auch in der EP 0166149 beschrieben. Diese versucht, das Mushrooming-Problem bei Elektrodenrollen dadurch zu umgehen, daß sie die Elektroden mit einer Schutzschicht aus einem Metall-Nitrid versieht, wie Titan-Nitrid, Siliciumnitrid oder Bornitrid. Die Nitride sind einigermaßen leitfähig, können den beim Schweißen auftretenden hohen Temperaturen widerstehen und sind durch das geschmolzene Überzugsmaterial der zu verschweissenden Bleche – meist Zinn, Zink – aber auch Nickel, Molybdän, Chrom – in seltenen Fällen auch Blei, Cadmium etc. nicht benetzbar. Die Überzüge weisen eine Härte von mindestens HV 8000 N/mm2 auf – während Kupfer oder eine Kupferlegierung eine Härte von HV 3000 bis 6000 N/mm2 besitzt. Allerdings läßt auch bei diesen Beschichtungen die Leitfähigkeit zu wünschen übrig und die Herstellung der Überzüge ist aufwendig. Diese Elektroden können auch nicht mehr „nachgeschliffen” werden, sondern müssen nach Abrieb eines Überzugs entsorgt werden.Generic roll seam welding and equipment for it are also in the EP 0166149 described. This seeks to circumvent the mushrooming problem with electrode rolls by providing the electrodes with a protective layer of a metal nitride, such as titanium nitride, silicon nitride or boron nitride. The nitrides are reasonably conductive, can withstand the high temperatures encountered during welding and are not wetted by the molten coating material of the sheets to be welded - usually tin, zinc - but also nickel, molybdenum, chromium - in rare cases also lead, cadmium, etc. The coatings have a hardness of at least HV 8000 N / mm2 - while copper or a copper alloy has a hardness of HV 3000 to 6000 N / mm2. However, even with these coatings, the conductivity leaves something to be desired and the production of the coatings is expensive. These electrodes can not be "reground", but must be disposed of after abrasion of a coating.

Schließlich sorgen die Fremdmetalle für eine problematischere Weiterverarbeitung des Elektrodenmaterials (Wiedereinschmelzen od. dgl.).Finally, the foreign metals provide a more problematic further processing of the electrode material (remelting od. Like.).

Es war auch bereits bekannt, Rollnahtschweißelektroden aus zwei Komponenten zu fertigen, wobei die mit den Blechen in Kontakt kommende Schicht andere mechanische Eigenschaften aufweist. Die übliche Beschichtung aus Titannitrid und ähnlichen Hartstoffen beeinträchtigte allerdings die Leitfähigkeit und erforderte aufwendige Herstellungsschritte.It has also been known to manufacture seam welding electrodes from two components, the layer coming into contact with the sheets having different mechanical properties. The usual coating of titanium nitride and similar hard materials, however, impaired the conductivity and required elaborate manufacturing steps.

Die bekannten Vorrichtungen waren insofern nachteilig, als ihre Elektroden eine geringe Lebensdauer und schnelle Verformung zeigten. The known devices were disadvantageous in that their electrodes showed a short life and rapid deformation.

Der vorteilhafte Einsatz von dispersionsverfestigtem Kupfer als Material für Elektrodenkappen zum Widerstandspunktschweißen ist aus der Literatur bekannt ( US Patent No. 3,779,714 bzw. auch DE 10 2006 031 366 C5 ). Die Dimensionen von Rollennahtelektroden (bis zu 400 mm im Durchmesser) standen bisher dem Einsatz von dispersionsverfestigtem Kupfer für diese Anwendung im Weg, da sich dispersionsverfestigtes Kupferpulver nur durch Strangpressen oder heißisostatisches Pressen (HIP) konsolidieren lässt. Die Herstellung einer Stange mit 400 mm Durchmesser durch Strangpressen ist technisch nicht darstellbar. Die Herstellung von Blöcken aus dispersionsverfestigten Kupfer durch HIP, um daraus Scheiben zur Herstellung von Rollennahtelektroden herauszuschneiden ist zu aufwendig.The advantageous use of dispersion strengthened copper as a material for electrode caps for resistance spot welding is known from the literature ( US Pat. 3,779,714 or also DE 10 2006 031 366 C5 ). The dimensions of roll near electrodes (up to 400 mm in diameter) have hitherto hindered the use of dispersion strengthened copper for this application, since dispersion strengthened copper powder can only be consolidated by extrusion or hot isostatic pressing (HIP). The production of a bar with 400 mm diameter by extrusion is not technically feasible. The production of blocks of dispersion strengthened copper by HIP to cut out therefrom discs for the production of roller near electrodes is too expensive.

Die Herstellung von Werkstoffverbunden durch HIP, insbesondere das Aufbringen und Verdichten von pulverförmigen Werkstoffen auf festen Substraten ist aus der Literatur bekannt (Produktinformation ”Pulvermetallurgie” der Fa. BODYCOTE HIP GmbH).The production of material composites by HIP, in particular the application and compression of powdery materials on solid substrates is known from the literature (product information "powder metallurgy" Fa. BODYCOTE HIP GmbH).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, widerstandsfähige Rollnahtschweißelektroden anzugeben, die bei guter Leitfähigkeit eine lange Standzeit bei günstiger Herstellung bieten.It is therefore an object of the invention to provide resistant seam welding electrodes, which offer a long service life with good conductivity with favorable production.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rollnahtschweißelektrode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by a Rollnahtschweißelektrode with the features of claim 1. Advantageous developments emerge from the dependent claims.

Dadurch, daß bei einer gattungsgemäßen Elektrode aus zwei Komponenten die Arbeitsfläche der Elektrode aus einer Schicht aus einer härteren Kupferzusammensetzung, wie dispersionsverfestigtem Kupfer besteht (2) und diese Schicht vollflächig und metallisch mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung (3) verbunden ist, kann eine sehr gute elektrische Anbindung der Schicht als auch eine einfache Herstellbarkeit derselben erzielt werden.Characterized in that in a generic electrode of two components, the working surface of the electrode consists of a layer of a harder copper composition, such as dispersion strengthened copper ( 2 ) and this layer over the entire surface and metallic with a core of pure copper or a copper alloy ( 3 ), a very good electrical connection of the layer as well as easy manufacturability of the same can be achieved.

Ein Verfahren zur Herstellung einer oxiddispersionsverfestigten Schicht auf einem Kupferkern ist das Heissisostatische Pressen von oxiddispersionsverfestigtem Kupferpulver um einen Kupferkern, um den das aufzubringende oxiddispersionsverfestigte Material in die Preßkapsel eingefüllt wird. Die so gefüllte Presskapsel wird sodann in einem Druckbehälter unter hohem Druck und hoher Temperatur verdichtet, wobei die oxiddispersionsverfestigten Kupferteilchen sich untereinander verdichten und verbinden und auch mit dem Kupferkern fest verbunden werden. Die Auswahl von Druck/Temperatur hängt von der Anlage ab und kann durch einen Fachmann leicht durchgeführt werden. Der so hergestellte Elektrodenrollenrohling weist eine sehr gute Festigkeit und überlegene Eigenschaften im Gebrauch auf.A method for producing an oxide dispersion strengthened layer on a copper core is hot isostatically pressing oxide dispersion strengthened copper powder around a copper core around which the oxide dispersion strengthened material to be applied is filled into the press capsule. The thus-filled press capsule is then compressed in a pressure vessel under high pressure and high temperature, wherein the oxide dispersion-strengthened copper particles compact and connect with each other and are also firmly connected to the copper core. The choice of pressure / temperature depends on the system and can easily be carried out by a specialist. The electrode roller blank thus produced has very good strength and superior properties in use.

Die erfindungsgemäße Elektrode verbindet die Vorteile der Kombination zweier Werkstoffe mit dem Verfahren zur Herstellung von Werkstoffverbunden durch HIP. Der Einsatz des teuren dispersionsverfestigten Kupfers bleibt – anwendungsoptimiert – auf den Bereich der Arbeitsfläche beschränkt, der weniger stark belastete Kern besteht aus kostengünstigem Reinkupfer oder einer konventionellen (schmelzmetallurgisch hergestellten) Kupferlegierung. Durch den massiven Kern kann das Vorverdichten des dispersionsverfestigten Kupferpulvers – das HIPen erfordert eine Schüttdichte des zu verarbeitenden Pulvers von mindestens 50% der theoretischen Dichte – entfallen und so auch Pulver mit niedriger Schüttdichte direkt verarbeitet werden.The electrode according to the invention combines the advantages of the combination of two materials with the method for producing composite materials by HIP. The use of expensive dispersion-strengthened copper remains - application-optimized - limited to the area of the work surface, the less heavily loaded core consists of inexpensive pure copper or a conventional (melt-metallurgically produced) copper alloy. The solid core eliminates the need to pre-compact the dispersion-strengthened copper powder - HIP requires a bulk density of the powder to be processed of at least 50% of the theoretical density - and thus directly process powders of low bulk density.

Überraschenderweise kann durch das HIP ein so guter Verbund der dispersionsverfestigten Kupferschicht mit dem Kern erzielt werden, dass die Leitfähigkeit nicht durch eine Trennschicht am Werkstoffübergang herabgesetzt wird, bzw. Leitfähigkeit als einem mechanischen Verbund (z. B. Verschraubung) deutlich überlegen ist. Da dieser metallische Verbund nur bei hohen Presstemperaturen zustande kommt, ist dispersionsverfestigtes Kupfer für dieses Verfahren besonders geeignet. Durch die Rekristallisationsfestigkeit bleiben die günstigen Eigenschaften an der Arbeitsfläche (Kriechfestigkeit, bessere mechanische Abriebbeständigkeit, bessere thermische Beständigkeit) trotz der verfahrensbedingten hohen Prozesstemperaturen erhalten. So wird eine Rollnahtelektrode mit besseren Eigenschaften erhalten ohne diese komplett aus diesem sehr aufwendigen Material herzustellen.Surprisingly, the HIP achieves such a good bond between the dispersion-strengthened copper layer and the core that the conductivity is not reduced by a separation layer at the material transition, or conductivity is clearly superior to a mechanical bond (eg screw connection). Since this metallic composite is only achieved at high pressing temperatures, dispersion-strengthened copper is particularly suitable for this process. Due to the recrystallization strength, the favorable properties at the working surface (creep resistance, better mechanical abrasion resistance, better thermal resistance) are maintained despite the process-related high process temperatures. Thus, a roll seam electrode with better properties is obtained without producing them completely from this very expensive material.

Nachfolgend wird die Erfindung genauer anhand der Zeichnung, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode schematisch zeigt, auf die sie aber keinesfalls eingeschränkt ist, näher erläutert. Darin zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing, which shows an embodiment of an electrode according to the invention schematically, but to which it is by no means restricted. It shows:

1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode; und 1 a cross section through an electrode according to the invention; and

2 ein Foto eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Elektrode. 2 a photo of a cross section through an electrode according to the invention.

In 1 ist ein Querschnitt durch eine rollenartige Elektrode schematisch gezeigt. Man erkennt den Mantel 2 aus Nutz-Material – hier bevorzugt dem dispersionsverfestigtem Kupfer – sowie den Kern 3 aus dem sehr gut leitfähigen Material. Der Kern besteht hier aus einer möglichst reinen Cu-Legierung mit guter Leitfähigkeit, wobei der Fachmann eine geeignete Cu-Legierung anhand der Anforderungen an Härte, Laufdauer, Temperaturbeständigkeit und Leitfähigkeit auswählen kann.In 1 a cross section through a roller-like electrode is shown schematically. You can see the coat 2 made of useful material - here preferably the dispersion-strengthened copper - as well as the core 3 from the very good conductive material. The core here consists of a very pure Cu alloy with good conductivity, the expert suitable Cu alloy can be selected based on hardness, running time, temperature resistance and conductivity requirements.

Der Mantel 2 ist aus dispersionsverfestigtem Kupfer, das durch HIP verfestigt und am Kern 3 angebunden ist.The coat 2 is made of dispersion strengthened copper, which is solidified by HIP and at the core 3 is connected.

Überraschenderweise wird durch diese HIP-Schicht dennoch eine außerordentlich gute Leitfähigkeit bei verbesserten Elektrodeneigenschaften für das Rollennahtschweissen erzielt.Surprisingly, this HIP layer nevertheless achieves extraordinarily good conductivity with improved electrode properties for roll seam welding.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen rollenartigen Elektrode erfolgt durch: Vorlegen eines zylinderförmigen Cu-Körpers entsprechend dem Kern der Rollnahtschweisselektrode, der zentrisch in eine HIP-Kapsel eingelegt wird. Um den so eingelegten Cu-Körper wird sodann Pulver aus dispersionsverfestigtem Cu eingefüllt und verdichtet. Die so gefüllte HIP-Kapsel wird verschlossen und in eine Anlage verbracht, wo sie unter erhöhter Temperatur und Druck gepresst wird und sich die Pulverteilchen untereinander sowie mit dem Cu-Körper verbinden. Nach Durchführung des HIP-Verfahrens wird die Kapsel geöffnet und die Elektrodenrolle entnommen. Es ist möglich, dass der Rohling die mehrfache Höhe einer Schweisselektrode besitzt, wobei dann die so hergestellte Schweisselektrodenstange entsprechend den Anforderungen abgelängt wird. Es ist aber auch möglich, Einzelelektroden herzustellen – je nach Kapselgrösse, Heißpressanlage und sonstigen Anforderungen.The preparation of the roller-like electrode according to the invention is carried out by: presenting a cylindrical Cu body corresponding to the core of the roller seam welding electrode, which is inserted centrally into a HIP capsule. Powder of dispersion strengthened Cu is then filled and compacted around the thus inserted Cu body. The filled HIP capsule is sealed and placed in a facility where it is pressed under elevated temperature and pressure and the powder particles connect with each other and with the Cu body. After performing the HIP procedure, the capsule is opened and the electrode roll removed. It is possible that the blank has the multiple height of a welding electrode, and then the welding electrode rod thus produced is cut to length according to the requirements. But it is also possible to produce individual electrodes - depending on capsule size, hot pressing and other requirements.

Es ist auch möglich, das dispersionsverfestigte Pulver um einen Kupferkern strangzupressen. Dazu wird eine mit dispersionsverfestigtem Pulver und Kupferkern gefüllte Kapsel in einer Strangpresse heiß stranggepresst, wobei durch die Umformung bei hoher Temperatur die dispersionsverfestigten Pulverpartikel vollständig verdichtet und durch Reibverschweißen mit dem Kern metallisch verbunden werden.It is also possible to extrude the dispersion-strengthened powder around a copper core. For this purpose, a capsule filled with dispersion-strengthened powder and copper core is extruded hot in an extrusion press, wherein the deformation-hardened powder particles are completely compressed by forming at high temperature and metallically bonded to the core by friction welding.

Dadurch, dass nun mittels HIP bzw. Strangpressen ein metallischer Verbund von dispersionsverfestigtem Pulver mit dem Kupferkern erfolgt, ist es möglich, bessere Rollnahtschweisselektroden weniger aufwendig herzustellen.The fact that now takes place by means of HIP or extrusion a metallic composite of dispersion strengthened powder with the copper core, it is possible to produce less expensive roll seam welding electrodes.

Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert wurde, ist sie keineswegs auf dasselbe eingeschränkt sondern dem Fachmann ist offensichtlich, dass verschiedenste Ausführungen im Rahmen des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche möglich sind.Although the invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, it is by no means restricted to the same, but it is obvious to the person skilled in the art that a wide variety of embodiments are possible within the scope of the attached claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 2641016 [0007]
EP 0166149 [0008]
US 3779714 [0012]
DE 102006031366 C5 [0012]

Claims

An electrode for roll seam welding, characterized in that the electrode has a copper core and a conductive, mechanically resistant shell of dispersion strengthened copper.

An electrode for seam welding according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the outer, the working surface of the electrode forming component is 0-50% of the radius' of the electrode.

Electrode for roll seam welding, characterized in that the outer jacket of the electrode is oxide dispersion strengthened copper.

Electrode according to one of the preceding claims, producible by: Centric introduction of cylindrical Cu material into a HIP capsule Charging powder of dispersion strengthened copper around the cylindrical Cu material into the space between the capsule wall and the cylindrical Cu material; Closing the capsule Hot isostatic pressing or extrusion of the closed filled capsule; and Open the capsule and remove the roller welding electrode blank.