DE2433648A1

DE2433648A1 - Widerstandsschweissverfahren

Info

Publication number: DE2433648A1
Application number: DE2433648A
Authority: DE
Inventors: Tugio Mizobe; Masahiro Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1973-07-14
Filing date: 1974-07-12
Publication date: 1975-01-30
Also published as: DE2433648C2; JPS5310935B2; US4273983A; JPS5027745A; GB1482467A

Description

Widerstandsschweissverfahren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich, auf ein Verfahren zur Widerstandsverschweissung zweier metallischer Werkstücke, die so aneinander- oder übereinandergelegt, dass sie sich •wenigstens auf einem Teil ihrer Oberflächen berühren, und zusammengepresst werden und durch die elektrischer Strom geleitet wird. Obgleich nicht darauf beschränkt, bezieht sich die Erfindung speziell auf ein Verfahren zum Verschweissen zweier metallischer Werkstücke, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen.

Die vielfältigsten Geräte und Maschinenteile sind aus unterschiedlichen metallischen Materialien zusammengesetzt, um ihre Eigenschaften zu verbessernd Da solche Geräte oder

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Maschinenteile oft aus miteinander verschweissten Teilen bestehen, ist es daher notwendig, unterschiedliche Metalle miteinander zu verschweissen.

Bekanntlich ist es jedoch sehr schwierig, unterschiedliche Metalle miteinander zu verschweissen, wofür die Unterschiede in den Schmelzpunkten, den Wärmeleitfähigkeiten und Ausdehnungskoeffizienten verantwortlich sind« Weitere Schwierigkeiten sind darin begründet, dass sich manche Arten von einander verschiedenen Metallennicht miteinander*, verbinden oder eine intermetallische Verbindung eingehen.

Bislang wurde in der Hauptsache ein Diffusionsverfahren verwendet, um den Grossteil von einander verschiedenen Metallen miteinander zu verschweissen oder zu verbinden. Das Diffusionsverfahren hat jedoch den Nachteil, dass es industriell nur begrenzt Anwendung finden kann, da beim Schweissen mit diesem Verfahren speziell eingerichtete Umgebungsbedingungen, wie z,B₀ Vakuum, inerte Gase, hohe Temperatur und hoher Druck, geschaffen werden müssen und die Diffusion eine verhältnismässig lange Zeitdauer in Anspruch nimmt. Weiterhin ist es notwendig, dass die metallischen Materialien an ihren Oberflächen chemisch rein sein müssen, damit sie zu einem Festkörper verbunden werden können, und dass die Umgebungsatmosphäre, in der sie miteinander verbunden werden, ganz spezifisch, je nach der Art der verwendeten Materialien, ausgesucht sein muss. Gewöhnlich erfordert die Herstellung eines Diffusionskontalctes auch die Anwendung hoher Temperatur und hohen Drucks,

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur ffiderstandsverschweissung zweier metallischer Werkstücke anzugeben, mit dem es möglich ist, Werkstücke auch aus unterschiedlichen Metallen in einer für die Massenproduktion geeigneten Weise zu verbinden«, Das Verschweissen soll

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insbesondere schnell gehen, keine Reinigung der Schweissflächen erfordern und dennoch eine gute Schwelssverbindung ergeben·

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass durch den elektrischen Strom in der Richtung senkrecht zu der Berührungsfläche ein Temperaturgefälle erzeugt, eine Schmelze nur an der Berührungsstelle erzeugt und dieser ständig metallisches Material nachgeliefert wird und dass dann das geschmolzene Metall unter dem Einfluss des Schweissdruckes in einem plastischen Fluss an die Peripherie des verschweissenden Flächenteils gequetscht wird, der entlang der Berührungsfläche der beiden verschweissten Werkstücke fliesst.

Unter dem Ausdruck "plastischer Fluss¹¹ wird hier ein Metallfluss verstanden, der durch eine die Formänderungsfestigkeit übersteigende Schubbeanspruchung hervorgerufen wird.

Der Teil des metallischen Werkstücks, der mit dem anderen metallischen Werkstück in Berührung steht, soll während des Schweissens auf einer Temperatur gehalten werden, die über dem Schmelzpunkt oder der Erweichungstemperatur liegt, während diejenigen Teile der beiden metallischen Werkstücke, die von der Kontaktstelle um einen geringen Betrag entfernt sind, mit den Oberflächen in der Richtung senkrecht dazu, unterhalb der Temperatur gehalten werden sollen, bei der das Metall unter dem Einfluss des Schweissdrucks plastisch fliesst.

Es sei betont, dass das Temperaturgefälle in der Erfindung in der senkrechten Richtung durch elektrischen Strom hervorgerufen werden muss.

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Entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren werden die metallischen Werkstücke so vorbereitet, dass sie einen solchen Aufbau oder eine solche Form aufweisen, dass bei der Durchleitung von elektrischem Strom Hitze sowohl an den Kontaktstellen als auch im Inneren der metallischen ¥erkstücke entsteht und dass ein Temperaturgefälle in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächenteilen erzeugt wird, die miteinander verschweisst werden sollen. Der Strom wird in einer solchen Stärke durch die metallischen Werkstücke geleitet, dass er die Oberflächen an den Kontaktstellen zum Schmelzen bringt. Beide Werkstücke stehen durch den Schweissdruck an den Schweisspunkten unter einem Reibungskontakt. Das geschmolzene Metall wird dann zur Seite gequetscht· Der plastische Fluss metallischen Materials bewegt das geschmolzene Metall entlang der Berührungsfläche zwischen den miteinander zu verschweissenden Flächen gegen die Peripherie dieser Flächen.

Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein erstes metallisches Werkstück, z.B. in Form einer Platte, mit wenigstens einem Vorsprung von gleichschenklig trapezförmigem Querschnitt ausgestattet und gegen ein zweites metallisches Werkstück geeigneter Form so gepresst, dass die flache Stirnfläche des Vorsprungs mit der Oberfläche des zweiten metallischen Werkstücks in.Berührung kommt. Der dann durch die Werkstücke geleitete elektrische Strom erzeugt ein Temperaturgefälle in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen und schmilzt das Metall nur an der Berührungsfläche des Vorsprungs ₃ der mit der Oberfläche des zweiten metallischen Werkstücks in Kontakt steht· Das Metall des Vorsprungs in geringer Entfernung von dessen Stirnfläche bewegt sich unter dem Einfluss des Schweissdrucks kontinuierlich in Richtung auf die Schmelzstelle. Hierdurch wird ständig

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Metall zur Schmelzstelle nachgeliefert, Während der plastische Fluss auftritt, wird das Metall in Reibungskontakt mit den Oberflächen gebracht.

In den Fällen, in denen gemäss dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Vorsprung zur Erzeugung des Temperaturgradienten Verwendung findet, sind dessen Dimensionen bezüglich des Erhebungswinkels und der Höhe nach den speziellen Materialien, dem elektrischen Strom und der spezifischen Flächenpressung an der Stirnseite des Vorsprungs usw₀ zu wählen, damit der Vorsprung sich in einem plastischen Fluss radial verbreitert. Beim Beginn des Schweissprozesses sollte die Stirnseite des Vorsprungs über den Schmelzpunkt oder die Erweichungstemperatur erhitzt werden, während die anderen Teile des Vorsprungs, die an dessen Fusspunkt liegen, unter der Temperatur gehalten werden sollten_B bei der das Metall vom Vorsprung weggedrückt wird.

Die Höhe (h) und der Winkel (ύ() des Vorsprungs, der Schweissstrom (l), der Schweissdruck (p) und die Schweisszeit (t) liegen bei den nachfolgend aufgeführten Verschweissungen unterschiedlicher Metalle in den nachfolgend angegebenen Bereichen:

1. Aluminium mit Stahl, h^2 mm, fit = 12 bis 30°, I= 1,5 bis

2 2

2,6 kA/mm , vorzugsweise 1,8 bis 2,3 kA/mm , P = 30 bis 100 kg/mm , vorzugsweise 48 bis 83 kg/mm und t = 0,5 bis 10 Perioden;

2. Gusseisen mit Stahl, h«2 mm, <A = 12 bis 35°» I = 0,75 bis 2 kA/mm _f vorzugsweise 1,10 bis 1_f65 kA/mm , P = I5 "bis 90 kg/mm , vorzugsweise 3h bis 71 kg/mm und t = 0,5 bis 10 Perioden;

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3. Aluminium mit Kupfer, hi«2 mm, <jQ = 12 bis 30°, I = 2,9

ρ Ο

bis 3,4 kA/mm , vorzugsweise 3,0 bis 3,3 kA/mm , P = 20 ο ο

bis 50 kg/mm , vorzugsweise 28 bis 32 kg/mm , und t 0,5 bis 3 Perioden;

4. Kupfer mit Stahl, h « 2 mm, c<T = I5 bis 25°, I = 2,3 bis

ρ ρ

2,9 kA/mm , vorzugsweise 2,5 bis 2,7 kA/mm , P = 20 bis 80 kg/mm , vorzugsweise 35 bis 65 kg/mm und t = 1 bis 5 Perioden;

5. Stahl mit Titan, h « 2 mm, X/ = 7 bis 25°, I= 1,4 bis 2,0 kA/mm , vorzugsweise 1,6 bis 1,8 kA/mm , P = 30 bis 100 kg/mm _f vorzugsweise 48 bis 83 kg/mm und t =0,5 bis 3 Perioden.

Unter Perioden werden hier die Periodendauern der Netzfrequenz verstanden.

Es ist auch möglich, ein Temperaturgefälle der erfindungsge— massen Art an den Schweissflachen durch Verändern der Form der Schweissverbxndung zu erzeugen.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbexspiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein erstes metallisches Werkstück geeigneter Form, z.B. ein Stab, stumpf gegen ein zweites metallisches Werkstück geeigneter Form, z.B. einen kubischen Block, angefügt und die Hitze, die durch das Hindurchleiten des elektrischen Stroms an den Kontaktflächen erzeugt wird, fliesst in den Teil des Stabes hinter der Kontaktfläche mit dem kubischen Block ab, wodurch ein Temperaturgefälle erzeugt wird, das senkrecht zu der Kontaktfläche gerichtet ist. Eine Schmelze tritt dabei nur an der Berührungsfläche mit dem kubischen Block auf, das geschmolzene Metall wird nach aussen an den Rand der zu verschweissenden Oberflächen gequetscht und

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das feste metallische Material wird in einen Reibungskontakt mit den sich stumpf berührenden Oberflächen gedrückt.

Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können die verschiedensten Metallkombinationen miteinander verschweisst werden, wie z.B. Stahl mit Aluminium, Stahl mit Gusseisen, Aluminium mit Kupfer, Stahl mit Kupfer und Stahl mit Titan«,

Die besondere Güte einer Schweissverbindung, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wird, ist darin begründet, dass Fremdstoffe, wie z.B. adsorbierte Moleküle, die nachteilige Einwirkungen auf die Verbindung haben könnten, aus dem geschmolzenen Metall herausgelöst und entlang der Berührungsfläche gegen deren Peripherie hinausgequetscht werden. Diese Fremdstoffe sitzen dann lediglich in dem Grat, der sich durch das Herausquetschen des Metalls an der Peripherie der Schweisszone ausbildet, oder sie sind in dem Randsaum eingeschlossen, der von spratzendem und sich verfestigendem geschmolzenem Metall am Rande der Schweisszone ausgebildet wird.

Das erfindungsgemässe Schweissverfahren erfordert weder die Anwendung einer speziellen Schutzatmosphäre noch einen grossen Zeit aufwand.

Eine Schweissverbindung, die mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt worden ist, weist die folgenden Vorteile auf. Erstens weist sie im geschweissten Gegenstand keinerlei Klumpen auf, die sich durch die Verfestigung von geschmolzenem Metall bei Anwendung der herkömmlichen Widerstandsschweissverfahren gewöhnlich ausbilden. Zweitens verfestigt sich das geschmolzene Material an der Peripherie der verschweissten Flächen, wo die Beanspruchungen während der

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Abkühlzeit minimal sind. Wie bereits beschrieben, wird das geschmolzene Material gegen den äusseren Hand gedrückt, das geschmolzene Metall verfestigt sich daher nicht an den Schweissflachen· Drittens weist die Schweissverbindung eine hohe Festigkeit auf, -weil die sonst üblicherweise in der Schmelze entstehenden spröden intermetallischen Verbindungen nicht an den Schweissflachen verbleiben«

Die Erfindung sei nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert₀ Es zeigt:

Fig« 1 einen Vorsprung, wie er in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer Schweissverbindung verwendet wird;

Fig. 2 die Festigkeit einer Schweissverbindung in Abhängigkeit vom Erhebungswinkel des Vorsprungs;

Fig. 3 eine mikroskopische Darstellung des inneren Gefüges einer Schweissverbindung von Stahl und Aluminium;

Fig. 4 das mikroskopische Gefüge am Gratrand;

Fig. 5 die Festigkeit der Schweissverbindung ±n Abhängigkeit von der Schweisszeit;

Figo 6 eine mikroskopische Darstellung des Gefüges von Stahl und Gusseisen, die nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung miteinander verschweisst sind;

Fig. 7 die Festigkeit einer Schweissverbindung in Abhängigkeit vom Schweissdruck;

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Fig· 8 die Festigkeit einer Schweissverbindung in Abhängigkeit von der Länge eines Stababschnitts, der aus einer rohrförmigen gekühlten Kupferelektrode heraussteht ·

In den Ausführungsbeispielen 1 bis 5 ist der Vorsprung auf der Oberfläche des einen der metallischen Werkstücke vorgesehen, das bei Stromdurchfluss nur schwer zum Schmelzen zu bringen ist« Die Abmessungen des Vorsprungs von gleichschenklig trapezförmigem Querschnitt, wie in Fig. 1 gezeigt, sind durch die Breite der oberen Stirnseite (w), die Höhe (h) und den Winkel (<£ ) bestimmt, den die Schenkel des Trapezes miteinander einschliessen«, Obgleich in diesen Ausführungsbeispielen Wechselstrom Verwendung fand, ist es auch möglich_s Gleichstrom zu verwenden·

Beispiel 1

Eine scheibenförmige Stahlplatte war mit einem gleichschenklig trapezförmigen Vorsprung rings um den gesamten Umfang ausgestattet. Sie wurde auf ainen kubischen Aluminiumblock gelegt und gegen diesen gepresst, so dass die obere Stirnseite des Vorsprung in Berührungskontakt mit der einen Oberfläche des Aluminiumblocks gebracht war.

Die Schweissparameter, wie z.B. die Stahl- und Aluminiumart, die Abmessungen des Vorsprungs, die Stromstärke, der Schweiss· druck und die Schweisszeit, sind in Tabelle 1 dargestellt«

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Tabelle 1

Stahlscheibe	Materialart	Stromstärke	Einsatzgehärteter Stahl JIS-SCr 15 (AISI 5115)
Vorsprung	Durchmesser	Schweissdruck	30 mm
Aluminiumblοck	Höhe (h)	Schweisszeit	2 mm
Breite (w)	0,5 nun
*Winkel (■<■* )**	10 - 45° *
Mat erialart	JIS-AC4C ASM-43
Länge	50 mm
Breite	50 mm
Dicke	10 mm
70,000 oder _## 82,000 Ampere
, / 2 ♦♦* 47 kg/mm
3 Perioden

Der Winkel (.^C ) wurde jeweils als Einzelwert aus diesem Bereich ausgewählt, die übrigen Parameter blieben konstant.

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** Die Stromstärke wurde als eine der zvei angegebenen gewählt, Stromstärken von 70,000 Ampere bzw· 80,000 Ampere entsprechen bei den angegebenen Dimensionen einer Flächenstromstärke von 1,485 bzw. 1,7^0 kA/mm ·

*#* Der Schweissdruck entspricht einer aufgebrachten Kraft pro Flächeneinheit an der oberen Stirnfläche des Vorsprungs.

#**# 60 Perioden entsprechen einer Zeit von einer Sekunde, d.ho es wurde mit einer Netzfrequenz von 60 Hz gearbeitet.

Der Schweissvorgang wurde mit verschiedenen Schweissparametern wiederholt. Die geschweissten Gegenstände wurden nachfolgend einer Messung der Festigkeit der Schweissverbindung unterzogen.

Fig, 2 veranschaulicht die Abhängigkeit der Schweissfestigkeit vom Flankenwinkel des Vorsprungs, In dieser Figur sind zwei Kurven 1 und 2 dargestellt, die einem Schweißstrom von 70,000 und 82,000 Ampere entsprechen.

Fig, 2 zeigt, dass die Schweissfestigkeit bei einem Winkel aC von 20 , den die Flanke des Vorsprungs mit der Senkrechten bildet, einen Maximalwert hat und dass in einem Bereich zwischen 12 und 30° befriedigende Schweissfestigkeiten zu erzielen sind. Die Schweissfestigkeit nimmt unterhalb von 20 mit dem Winkel ab. Es besteht die Vermutung, dass diese Abnahme mit der Tatsache zusammenhängt, dass der mittlere Teil des Vorsprungs auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird als die obere Stirnseite, wenn der Winkel kleiner icird als 20 , Die Temperaturverteilung innerhalb des Vorsprungs

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ist dann so, dass dieser dazu neigt, sich im initiieren Bereich zu verwerfen, wodurch der erwünschte plastische Fluss nicht auftritt. In einem solchen Fall kann das geschmolzene Metall nicht ausreichend vom Vorsprung gegen dessen ausseren Umfang gequetscht werden, wodurch die Schweissfestigkeit beeinträch- · tigt ist.

Es wurde herausgefunden, dass die Breite (w) des Vorsprungs die geeignetste Schweißstromstärke bestimmt und dass die Schweissfestigkeit in hohem Masse von den Abmessungen des Vorsprungs, speziell der Breite (w) und der Höhe (h) abhängen·

Die Mikrostruktur der Verbindungsstelle von Stahlplatte und Aluminiumblock im Mittelbereich der Schweisszone wurde bei 20Ofacher Vergrösserung betrachtet. Dies ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Mikrostruktur des Grates wurde in gleicher Weise betrachtet, diese Darstellung zeigt Fig. k»

In den Figuren 3 und 4 sind Stahl mit 1, Aluminium mit 2 und intermetallische Verbindungen aus Stahl und Aluminium mit 3 bezeichnet.

¥ie aus diesen Figuren klar hervorgeht, sind aus Stahl und Aluminium bestehende intermetallische Verbindungen 3 an der Schweißstelle zwischen Stahl 1 und Aluminium 2, die in Fig, dargestellt ist, auch unter dem Mikroskop nicht zu erkennen. Solche intermetallischen Verbindungen sind ,jedoch im Grat neben Stahl 1 und Aluminium 2 enthalten, wie Fig. h zeigt. Hieraus lässt sich schliessen, dass das geschmolzene Metall entlang der Berührungsfläche zu dem äusseren Grat gequetscht wurde _o

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Beispiel 2

Eine scheibenförmige Stahlplatte war mit einem gleichschenklig trapezförmigen Vorsprung rings um den gesamten Umfang ausgestattet. Sie wurde auf einen kubischen Gusseisenblock gelegt und gegen diesen gepresst, so dass die obere Stirnfläche des Vo'rsprungs in Berührungskontakt mit der Oberfläche des Blocks gebracht war« Das Schweissen wurde mit den Parametern durchgeführt, die in Tabelle 2 dargestellt sind«

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Tabelle 2

Stahlplatte	Materialart	Schweissdruck	Einsatzgehärteter Stahl JIS-SCr 15 (aISI-5115)
	Durchmesser	Schweisszeit	30 mm
Vorsprung	Höhe (h)		2 mm
	Breite (w)	0,7 mm
	Winkel (aC)	30°
	Materialart	Grauguss JIS-FC 2O (ASTM, A48-64, No30B)
Gusseisenblock	Länge	50 mm
	Breite	50 mm
Stromstärke	Dicke	10 mm
	33,000 oder 52,000 oder 75,000 Ampere *
23 kg/mm²
0 ir ά* 20 Perioden *

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* Die Stromstärke lind die Schweisszeit wurden bei diesen Versuchen verändert, während die anderen Bedingungen konstant blieben. Die Stromstärken von 33.000, 52.000 und 75,000 Ampere entsprechen einer Plächenstromstärke von 0.50, 0.79 und 1 * 1k kA/mm .

Der Schweissvorgang wurde wiederholt, wobei einige der Schweissparameter verändert wurden. Die geschweissten Gegenstände wurden einer Messung hinsichtlich der Schweissfestigkeit unterzogen.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Schweissfestigkeit von der Schweisszeit. In dieser Darstellung sind drei Kurven 1,2 und 3 enthalten, die Schweißströmen von 33.000, 52.000 und 75»000 Ampere entsprechen.

Aus Fig. 5 geht hervor, dass die Schweissfestigkeit extrem gross wird, wenn das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung mit hohem Strom und kurzer Schweissdauer ausgeführt wird, d.h. mit 52.000 Ampere bei einer Schweissdauer von k bis 6 Perioden oder mit 75*000 Ampere bei einer Schweisszeit von 2 bis 5 Perioden.

Es ist auch beachtlich, dass die Schweissfestigkeit von der Schweissdauer mit zwei verschiedenen Tendenzen abhängt. So ist zu beobachten, dass die Schweissfestigkeit bei einer Stromstärke von 33«OOO Ampere (Kurve 1) kontinuierlich mit der Schweisszeit zunimmt, wobei jedoch nur verhältnismässig geringe Festigkeiten erreicht werden. Andererseits steigt die Schweissfestigkeit bei den beiden anderen, höheren Stromstärken (Kurven 2 und 3) sehr schnell mit der Schweisszeit an und erreicht jeweils beachtlich hohe Maximalwerte» Jenseits dieses Maximums ist dann wieder ein schneller Abfall der Schweissfestigkeit mit zunehmender Schweisszeit festzustellen.

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Die Stirnfläche des Vorsprungs, der mit der Oberfläche des Gusseisenblocks während des SchweissVorgangs in Verbindung steht, wurde mit einem Mikroskop bei 6-facher Vergrösserung betrachtet.

Um zu beobachten, wie der Vorsprung das geschmolzene Material zur Seite quetscht, wurde der Schweissvorgang mit einer Schweißstromstärke von 75*000 Ampere durchgeführt und nach einer Schweissdauer von nur einer Periode unterbrochen« Sodann wurde mit der mikroskopischen Betrachtung begonnen. Das Ergebnis ist in Fig. 6 dargestellt. In dieser Figur ist Stahl mit 4, Gusseisen mit 5» geschmolzenes Metall mit 6 und der Vorsprung mit 7 bezeichnet.

Man sieht aus dieser Figur, dass das geschmolzene Metall 6 von der Stirnfläche des Vorsprungs 7 durch die Plastizität des Stahls zur Seite gequetscht wurde, während der Bereich, der dem Fusspunkt des Vorsprungs benachbart ist, nicht wesentlich deformiert worden ist. Hieraus lässt sich schliessen, dass das geschmolzene Metall (6) in Form eines Pilzes vom Vorsprung 7 während des Schweissvorgangs entlang der Berührungsflächen der beiden zu verschweissenden Gegenstände zur Seite gequetscht wird.

Beispiel 3

Eine scheibenförmige Stahlplatte war mit einem gleichschenklig trapezförmigen Vorsprung rings um den gesamten Umfang ausgestattet. Sie wurde auf einen kubischen Aluminiumblock gelegt und gegen diesen gedrückt, so dass die obere Stirnfläche des Vorsprungs in Berührungskontakt mit der Oberfläche des Blocks gebracht war. Die Schweissung wurde mit den Parametern durchgeführt, die in Tabelle 3 angegeben sind.

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Tabelle 3

Stahlplatte	1	Aluminiumblock	Materialart	Stromstärke	Kohlenstoffstahl JIS-S15C (AISI 1015'.
		Durchmesser	f Schweissdruck	22 mm
		Höhe (h)	; Scfrweisszeit i	2 mm
Vorsprung	Breite (w)		0,5 mm
	Winkel (<Λ )	20°
Materialart	JIS-AC4C (asm-43)
Länge	50 mm
Breite	50 mm
Dicke	10 mm
6O.OOO Ampere **
10 - 100 kg/mm² *
2 Perioden

* Der Schweissdruck wurde während des Tests in dem angegebenen Bereich variiert,

** 60,000 Ampere entsprechen einer Flächenstromstärke von 1,74 kA/mm²,

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Der Schweissvorgang wurde unter Veränderung der Schweissparameter wiederholt.

Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit der Schweissfestigkeit vom Schweissdruck. Man sieht aus dieser Figur, dass die Schweissfestigkeit in einem direkt proportionalen Verhältnis mit dem Schweissdruck zunimmt. Sie nimmt mit dem Schweissdruck inso-

weit zu, als dieser zwischen 30 und 100 kg/mm liegt, so dass der Vorsprung nicht plastisch verformt oder verzogen wird, bevor elektrischer Strom durch ihn hindurchfliesst.

Die gleichen Schlussfolgerungen lassen sich unter Heranziehung der Schweissphänomene in der vorliegenden Erfindung hier ziehen« Namentlich, wenn der Schweissdruck nicht extrem hoch ist und gesteigert wird, dann führen die Quetsch- und Bindungsphänomene zu einer festen Verschweissung der einander berührenden Oberflächen.

Beim Beispiel 3 waren unterschiedliche Metalle miteinander verschweisst worden. ¥enn im Gegensatz hierzu zwei gleiche Metalle miteinander verschweisst werden, dann nimmt die Schweissfestigkeit im allgemeinen bei steigendem Schweissdruck ab, da in diesem Fall der Vorsprung, der den Berührungskontakt herstellt, sich plastisch deformiert und seinen Kontaktwiderstand herabsetzt, wenn der Schweissdruck einen bestimmten Fert übersteigt und auf diese Weise die im Vorsprung erzeugte Hitze nicht ausreichend ist, um ein befriedigendes Schmelzen des Metalls sicherzustellen.

Die Abhängigkeit der Schweissfestigkeit von der Schweisszeit stellt sich bei diesem Ausführungsbeispiel als konform zu einer der Tendenzen heraus, die im Beispiel 2 beschrieben wurden, d.h. die Schweissfestigkeit nimmt mit der Schweisszeit sehr

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schnell zu und erreicht ein beachtliches Maximum bei relativ kurzen Schweisszeiten. Mit grosser werden Schweisszeiten nimmt die Schweissfestigkeit nach diesem Maximum wieder ab, da der Vorsprung deformiert wird.

Wenn dann der Schweissvorgang weitergeht, dann verbreitert sich der obere Bereich des gleichschenklig trapezförmigen Vorsprungs, während der mittlere Bereich im wesentlichen seine ursprüngliche Gestalt beibehält. Das Ergebnis ist ein Vorsprung, der in Form eines Stabes deformiert ist, der eine konkave laterale Fläche aufweist. In diesem Zustand wird die Aluminiumfläche, die in Kontakt mit dem vergrösserten oberen Teil des Vorsprungs steht, in dem breiten Bereich ungünstig beeinflusst. Das vorteilhafte Temperaturgefälle kann sich nicht langer entlang der Achse des VorSprungs ausbilden.

Wenn daher die Schweisszeit über einen Punkt hinaus verlängert wird, von dem an der trapezförmige Vorsprung zu einem Stab mit einer konkaven Lateralfläche deformiert wird, dann wird keine Steigerung der Schweissfestigkeit erreicht.

Beispiel 4

Eine scheibenförmige Kupferplatte war mit einem gleichschenklig trapezförmigen Vorsprung rings um den Umfang ausgestattet. Sie wurde auf eine scheibenförmige Aluminiumplatte gelegt und gegen diese gepresst, so dass die obere Stirnfläche des Vorsprungs in Berührungskontakt mit der Oberfläche der Aluminiumscheibe gebracht war. Der Schweissvorgang wurde mit den Parametern durchgeführt, die in Tabelle k angegeben sind₀

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Tabelle 4

Kupferscheibe	Mat erialart	Stromstärke	JIS-CuPl (ASM-ETP)
	Durchmesser	Schweissdruck	22 mm
	Höhe (h)		2 mm
Vorsprung	Breite (w)	Schweisszeit	0,5 nun
	Winkel (</, )	20°
	Materialart	JXS-AIPI (ASM-IO5O)
Aluminiumscheibe	Durchmesser	50 mm
	Dicke	10 mm !
110.000 Ampere *
1.2 t ** :
1 Periode

* 110.000 Ampere entsprechen einer Flächenstromstärke von 3.1 kA/mm².

** 1,2 t entsprechen einem Schweissdruck von 3^o8 kg/mm .

Es wurde eine Sohweissfestigkeit von 0,8 t erreicht«

Beispiel 5

Eine scheibenförmige Stahlplatte war mit einem gleichschenklig trapezförmigen Vorsprung rings um den gesamten Umfang ausgestattet. Sie wurde auf eine quaderförmige Titanscheibe gelegt

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TJind gegen sie gepresst, so dass die obere Stirnfläche des Vorsprungs in Berührungskontakt mit der einen Oberfläche der Titanscheibe gebracht -war. Dö»r Schweissvorgang wurde mit den Parametern ausgeführt, die in Tabelle 5 angegeben sind_o

Tabelle 5

Stahlplatte	Materialart	: Stromstärke	Kohlenstoffstahl JIS-S15C (AISI 1015) j
"Vorsprung	Durchmesser	Schweissdruck	I 22 mm j i
	Höhe (h)	Schwelsszelt i	2 mm j I
Titanscheibe	Breite (w)	0,5 mm !
	Winkel (tfC)	20°
Materialart	Kommerzielles, reines Titan
Durchmesser	50 mm
Dicke	10 mm
6O.OOO Ampere *
2_S2 t **
0_ö5 Perioden

60ο000 Ampere entsprechen einer Flächenstromstärke von 1 ₉ 78 kA/mm ο

i-jurde eine Schweissfestigkeit von 4_O5 * erreicht₀

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Beispiel 6

Eine Stahlplatte mit einem Vorsprung.rings um den gesamten Umfang wurde mit einem Kupferrohr in Verbindung gebracht und gegen dieses gedruckt in der ¥eise, dass die Endfläche des Rohres in Berührungskontakt mit dem Vorsprung kam. Der Schweiss· Vorgang wurde mit Parametern ausgeführt, die in Tabelle 6 angegeben sind«

Tabelle 6

Stahlseheibe	Materialart	Stromstärke	Kohlenstoffstahl JIS-S15C (AISI 1015)
	Durchmesser	Schweissdruck	22 mm
	Höhe (h)		2 mm
Vorsprung	Breite (w)	Schweisszeit	0,5 mm
	Winkel OjO	20°
Kupferrohr	Materialart	Elektrolytzähkupfer JIS-CuPl (ASM-ETP)
Au s s endurch- messer	25 mm
Innendurch messer	20 mm
9O.OOO Ampere *
1,6 t **
2 Perioden

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* 90*000 Ampere entsprechen 2.6 kA/mm ,

** 1,6 t Schweissdruck entsprechen einer Flächenpressung von k6,k kg/mm ·

Es wurde eine Schweissfestigkeit von 2.1 t erreicht. Beispiel 7

Bei diesem Beispiel wurde das Temperaturgefälle, das bei dem erfindungsgemässen Schweissverfahren vorhanden ist, auf andere Weise als in den vorhergehenden Beispielen erzeugt.

Eine runde, gerade Stahlstange wurde stumpf gegen einen kubischen Gusseisenblock in der Mitte der Ebene gedrückt, die durch die Längs- und Querseiten des Blocks bestimmt ist, so dass die Endfläche der Stange mit der flachen Oberfläche des Blocks in Berührung stand. Die runde Stange wurde fest zwischen Kupferelektroden eingespannt, die die Form einer in zwei Hälften geteilten Röhre hatten.

Bei diesem Beispiel wurde das von der Erfindung vorgeschriebene Temperaturgefälle in der Weise erzeugt, dass die gekühlten Kupferelektroden an der Stahlstange in einem genügend grossen Abstand von der Schweisszone gehalten wurden. Die Hitze, die sich in der Stange von der Schweisszone aus in Richtung auf das andere Ende ausbreitet, wird durch die Elektroden abgeführt, wodurch eine Temperaturverteilung in der Stange erzeugt wird, die mit zunehmendem Abstand der Elektroden von der Schweisszone flacher verläuft. Der Schweissvorgang wurde mit den Parametern durchgeführt, die aus der nachfolgenden Tabelle J hervorgehen.

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Tabelle 7

Stahlstange	Materialart	Stromstärke	Kohlenstoffstahl JIS-S15C (AISI 1015)
Gusseisen block	Aus den Elektroden hervorstehende Länge	Schweissdruck	0 /ü - Δ. 30 mm *
Materialart	Schweisszeit	Grauguss JIS-FC20 (ASTM A 48-64, No. 30B)
Länge	50 mm
Breite	50 mm
Dicke	10 mm
35.000 Ampere
11 kg/mm
0,5 Perioden

* Die aus den Elektroden hervorstehende Länge der Stahlstange wurde innerhalb des angegebenen Bereichs bei diesen Versuchen variiert.

Der Schweissvorgang wurde wiederholt, wobei einer der Schweissparameter geändert wurde. Bei diesem Beispiel wurde mit Wechselstrom gearbeitet, obwohl es auch möglich ist, mit Gleichstrom zu verfahren. Der geschweisste Gegenstand wurde anschliessend auf die Festigkeit der Schweissverbindung untersucht.

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Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der Schweissfestigkeit von dem Längenabschnitt der Stange, der sich zwischen den Elektroden und der Schweissstelle erstreckt.

Aus dieser Zeichnung geht hervor, dass die Schweiss'festigkeit mit zunehmender Stababschnittslänge vergrössert und einen Maximalwert bei ungefähr 5 n™ " erreicht. Wenn die Länge 5 ram überschreitet, dann nimmt die Schweissfestigkeit allmählich ab, weil die Stahlstange dazu neigt, sich aufgrund eines ungünstigen Temperaturgefälles in dem mittleren Teil des Abschnitts zu verformen, wie nachfolgend im Detail noch beschrieben wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Stange von den Elektroden nur 2 bis 8 mm hervorsteht.

In einem Fall, in dem die Stahlstange mehr als um diesen Betrag von den Elektroden hervorsteht, wird sie im mittleren Bereich auf eine höhere Temperatur aufgeheizt als an der Stirnfläche. Das gewünschte Temperaturgefälle kann sich nicht einstellen. Es ergeben sich vergleichbare Verhältnisse zum Fall des Beispiels 1 in Figo 2, wo der ¥inkel des Vorsprungs unterhalb eines bestimmten Werts liegt.

Die in den Tabellen gegebenen Abkürzungen für die Materialarten beziehen sich teils auf japanische, teils auf amerikanische Normen.

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Widerstandsverschweissung zweier metallischer Werkstücke, die so aneinander—oder übereinandergelegt, dass sie sich -wenigstens auf einem Teil ihrer Oberflächen berühren, und zusammengepresst werden und durch die elektrischer Strom geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Richtung senkrecht zu den Berührungsflächen durch den elektrischen Strom ein Temperaturgefälle erzeugt, eine Schmelze nur an der Berührungsstelle hervorgerufen und zu dieser ständig metallisches Material nachgeliefert wird, und dass dann das geschmolzene Metall unter dem Einfluss des Schweissdrucks in einem plastischen Fluss an die Peripherie des verschweissenden Flächenteils gequetscht wird, der entlang der Berührungsfläche der beiden verschweissenden Werkstücke fliesst»

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Verschweissung von Stahl mit Gusseisen,

3» Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Verschweissung von Stahl mit Aluminium.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur VerschwejLssung von Stahl mit Kupfer.

5· Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Verschweissung von Aluminium mit Kupfer«

6a Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Verschweissung von Stahl mit Titan₀

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7· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes metallisches Werkstück stumpf oder überlappend an ein zweites metallisches Werkstück aus anderem Material gelegt wird, und dass an einem . der Werkstücke ein Vorsprung mit gleichschenklig trapezförmigem Querschnitt an einer der Oberflächen vorgesehen ist, der in Berührungskontakt mit der Oberfläche des anderen Werkstücks gelegt wird und dass die Abmessungen des Vorsprungs, der Schweißstrom, der Schweissdruck und die Schweisszeit so ausgewählt sind, dass in einer Richtung senkrecht zur Berührungsfläche ein Temperaturgefälle erzeugt wird und dass das geschmolzene Material in einem plastischen Fluss, der entlang der Verbindungsfläche zwischen den beiden metallischen Werkstücken fliesst, unter dem Einfluss von Schweissdruck an die Peripherie der Schweissflache gedruckt wird.

8« Verfahren nach Anspruch 7» gekennzeichnet zur Verschweissung eines Aluminiumblocks mit einer scheibenförmigen Stahlplatte, die einen Vorsprung trägt, der eine Höhe von ungefähr 2 mm und einen Flankenwinkel zwischen 12 und 30 aufweist und der Flächenschweissstrom zwischen 1.5 und 2,6. kA/mm und der Schweissdruck an der Stirnfläche des Vor-

Sprungs zwischen 30 und 100 kg/mm betragen und die SciEweisszeit zwischen 0,5 und 10 Perioden liegt,

9· Erfahren nach Anspruch 71 gekennzeichnet zur Verschweissung eines Gusseisenblocks mit einer Stahlplatte, die einen Vorsprung von einer Höhe von etwa 2 mm und einem Flankenwinkel zwischen 12 und 35° aufweist, und der Schweißstrom zwischen 0,75 und 2 kA/mm und der Schweissdruck an der oberen Stirnfläche des Vorsprungs zwischen 15 und 90 kg/mm betragen und die Schweisszeit zwischen 0,5 und 10 Perioden liegt.

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10. Verfahren nach. Anspruch 7» gekennzeichnet zur Vers chwe is sung einer Aluminiumscheibe mit einer Kupferplatte,, die einen Vorsprung von ungefähr 2 mm Höhe bei einem Flankenwinkel zwischen 12 und 30 aufweist, und der Schweißstrom zwischen 2,9 und 3,4 kA/mm und der Schweissdruek zwischen 20 und 50 kg/mm betragen und die Schweisszeit zwischen 0,5 und 3 Perioden liegt·

11. Verfahren nach Anspruch 7» gekennzeichnet zur Verschweissung eines Kupferrohrs mit einer Stahlplatte, die einen Vorsprung von ungefähr 2 mm Höhe bei einem Flankenwinkel zwischen und 25 aufweist und der Schweißstrom zwischen 2,3 und 2,9

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kA/mm und der Schweissdruek zwischen 20 und 80 kg/mm betragen und die Schweisszeit zwischen 1 und 5 Perioden liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 7» gekennzeichnet zur Verschweissung einer Stahlscheibe mit einer Titanscheibe, wobei der Vorsprung eine Höhe von ungefähr 2 mm und einen Flankenwinkel zwischen 7 und 25° aufweist und der Schweißstrom zwischen 1,4 und Z₉O kA/mm und der Schwexssdruck zwischen 30 und 100 kg/mm betragen und die Schweisszeit zwischen 0,5 und 3 Perioden liegt.

13β Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes metallisches Werkstück geeigneter Form stumpf gegen ein zweites metallisches ¥erkstück geeigneter Form gelegt wird und dass die vom Schweißstrom an der Kontaktfläche der beiden Werkstücke erzeugte Hitze in einem Bereich des ersten metallischen Werkstücks von diesem abgeführt wird, der genügend weit von der stumpfen Berührungsfläche entfernt liegt, um ein Temperaturgefälle in diesem Werkstück zu erzeugen, das senkrecht zur Berührungsfläche verläuft, ein Schmelzen nur an der Kontaktfläche

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auftritt, das geschmolzene Material an die Peripherie der verschweissenden Flächen gequetscht wird und das feste metallische Material in einen Reibungskontakt mit den stumpf sich berührenden Oberflächen gebracht wird·

14, Verfahren nach Anspruch 13i dadurch gekennzeichnet, dass das erste metallische Werkstück eine runde Stange und das zweite metallische Werkstück ein kubischer Block ist, dessen Länge und Breite wesentlich grosser als der Durchmesser der runden Stange sind, dass die Stange stumpf gegen eine Fläche des Blocks gedrückt wird, die von dessen Längs- und Querseiten umrahmt ist, und dass die Stange fest zwischen zwei gekühlte Elektrodenrohre so eingespannt ist, dass diese im wesentlichen dessen gesamte Länge mit Ausnahme des äussersten Endes umfassen.

15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange eine gerade Stahlstange von 6 mm Durchmesser und der Block ein gusseisener Block von 50 nmi Länge, 50 mm Breite und einer Dicke von 10 mm ist, und dass die Stange zwischen gekühlte Kupferelektroden eingespannt ist, aus denen sie zwei^f7bis acht Millimeter in Richtung auf die stumpfe Berührungsfläche herausschaut, und dass der Schweißstrom 35«000 Ampere, der Schweißdruck 11 kg/

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mm der Querschnittsfläche der Stange und die Schweisszeit 0,5 Perioden betragen.