DE2554990A1

DE2554990A1 - Elektrode fuer die elektrische widerstandsschweissung

Info

Publication number: DE2554990A1
Application number: DE19752554990
Authority: DE
Inventors: Ralf Borgelt; Meinhard Dipl Ing Hecht; Ferdinand Licher
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1975-12-06
Filing date: 1975-12-06
Publication date: 1977-06-16

Description

Elektrode für die elektrische Widerstands-
schweißung Die Erfindung betrifft eine Elektrode aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hoher Leitfähigkeit für die elektrische Widerstandsschweißung.
Es sind Elektroden für die elektrische Widerstandsschweißung bekannt geworden, die aus einer aushärtbaren Kupferlegierung hergestellt sind, beispielsweise aus einer Kupfer-Chrom-Legierung. Diese, unter der Handelsbezeichnung "Elbrodur" erhältlichen Elektroden haben sich aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften bei der Widerstandsschweißung auf dem Markt durchgesetzt. Die Elektroden dienen dazu, sowohl den für die Verschweißung notwendigen Strom als auch den Druck aufzubringen. Von den Elektroden wird eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine hohe mechanische Festigkeit bei erhöhten Temperaturen gefordert, da sie sich infolge des Stromdurchganges und durch die Zufuhr der Wärme aus dem Schweißgut erwärmen.
Infolge wiederholter Schweißvorgänge wird die Kontaktfläche der Elektrode zunehmend deformiert. Dieser Vorgang wird in der Fachsprache als sogenannter Pilz- oder Pilzbildungseffekt bezeichnet. Um eine einwandfreie Schweißung zu erhalten, ist es deshalb erforderlich, daß man die Elektroden nach einer gewissen Anzahl von Schweißungen einer Nachbearbeitung an ihrer Arbeitsfläche unterzieht. Nach einer gewissen Anzahl von Nachbearbeitungen muß jedoch die vollständige Elektrode verworfen werden. Die bisherigen Bemühungen, die Warmfestigkeit und damit die Standzeit der Elektrode durch Verfestigungsmechanismen, wie Härtung durch Phasenumwandlung, Kaltverformung, Mischkristallverfestigung sowie auch Ausscheidungshärtung und Dispersionsverfestigung zu erhöhen, führten in allen Fällen zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Reduzierung der Leitfähigkeit und damit zu einer erhöhten thermischen Belastung.
Um den Verlust an hochwertigem Material nach völliger Abnutzung der Elektroden besonders gering zu halten, ist es bereits bekannt, eine in der Größe stark reduzierte Elektrode zu verwenden, die in einer Bohrung eines Elektrodenhalters angeordnet ist, welcher aus einem Material mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit besteht und dessen Warmfestigkeit gegenüber den beim Schweißen auftretenden Temperaturen geringer ist als die Warmfestigkeit der Elektroden. Durch diese Maßnahme wird die aus einem hochwertigen und teuren Material bestehende Elektrode in ihren Abmessungen besonders gering gehalten. Die Standzeit der Elektroden konnte durch lese Maßnahme jedoch nicht erhöht werden. (DT-OS 2 162 501) Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für die elektrische Widerstandsschweißung zu finden, deren Standzeit wesentlich höherliegt als die der bisher verwendeten Elektroden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, damit ein Teil der Kontaktfläche aus einem Material hoher Leitfähigkeit und der übrige Teil aus zumindest einem Material hoher Warmfestigkeit besteht.
Dabei übernimmt das Material hoher Warmfestigkeit, das vorzugsweise in der Mitte der Kontaktfläche angeordnet ist, die mechanische Beanspruchung, während das vorzugsweise das Material hoher Warmfestigkeit umgebende Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit im wesentlichen für die Zuführung des Stromes und die Abführung der während des Schweißens entstehenden Schweißen wärme sorgt. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß beim Widerstandsschweißen die größte Wärme im Bereich der Schweißränder entsteht und ordnet aus diesem Grund die gut leitenden Bereiche so an, daß die Wärme optimal auf kürzestem Weg abgeführt werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ergibt sich, wenn das Material höherer Wärmefestigkeit aus einer aushärtbaren Kupferlegierung besteht.
Das übrige Elektrodenmaterial besteht dann beispielsweise aus reinem Kupfer oder einer niedriglegierten aushärtbaren Kupferlegierung. So sind vorteilhafterweise folgende Kombinationen möglich: Kern übriges Elektrodenmaterial Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung Kupfer-Kadmium bzw. Kupfer-(Cu-Cr-Zr) Silber-Legierung (Cu-Cd bzw. Cu-Ag) Kupfer-Zirkon-Legierung Kupfer-Kadmium bzw. -Silber-Cu-Zr Legierung (Cu-Cd bzw. Cu-Ag) Kupfer-Kobalt-Beryllium- Kupfer-Zirkon-, Kupfer-Chrom.-Legierung Zirkon, Kupfer-Kadmium-, (Cu-Co-Be) Kupfer-Silber-Legierung (Cu-Zr, Cu-Cr-Zr, Cu-Cd,-Cu-Ag) Kupfer-Kobalt-Silizium- Kupfer-Cadmium- ~Kupfer-Silber-, bzw. Kupfer-Nickel-Silizium- Kupfer-Zirkon-,Kupfer-Chrom-Legierung Zirkon-Legierung (Cu-Co-Si bzw. Cu-Ni-Si) (Cu-Cd, Cu-Ag, Cu-Zr, Cu-Cr-Zr) Dispersionsverfestigte Kupfer-Cadmium-, Kupfer-Silber-Kupferlegierung Legierung (Cu-Al) (Cu-Cd, Cu-Ag) Kupfer-Chrom-Zirkon-, Kupfer- Dispersionsverfestigte Kobalt-Beryllium-, Kupfer- Kupferlegierung Kobalt-Silizium- etc. (Cu-Al) (Cu-Cr-Zr, Cu-Co-Be, Cu-Co-Si) Welche Werkstoffkombination man letztlich verwendet, hängt von dem Verwendungszweck ab. Es kann unter Umständen zweckmäßig sein, statt der angegebenen Kombination aus zwei Werkstoffen eine Kombination von mehr als zwei Werkstoffen zu verwenden, wobei gemäß der Lehre der Erfindung die Leitfähigkeit von innen nach außen und die Warmfestigkeit von außen nach innen zunimmt. Das Material höherer Warmfestigkeit kann, wie erwähnt, zweckmäßigerweise auch aus einer dispersionsverfestigten Kupferlegierung bestehen. Hier bietet sich eine Kupferlegierung mit bis zu 2 °% Aluminium an. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, wenn das Material hoher Warmfestigkeit aus hitzebeständigem Metall wie Wolfram, Molybdän u.a. gewählt wird. Das übrige Elektrodenmaterial sollte dann zweckmäßigerweise aus einer aushärtbaren Kupferlegierung, beispielsweise einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung bestehen.
Zur Herstellung einer Elektrode nach der Lehre der Erfindung bieten sich mehrere Verfahren an. Ein Verfahren besteht darin, daß man zunächst in die Kontaktfläche der Elektrode eine Sackbohrung einbringt, die Elektrode darauf erwärmt, in die Bohrung einen stramm sitzenden Bolzen aus einem Material hoher Warmfestigkeit einbringt und darauf die Elektrode abkühlt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß man mit sehr kleinen Mengen des relativ teuren Materials hoher Warmfestigkeit auskommt. Damit der Bolzen aus dem Material hoher Warmfestigkeit fest in dem Elektrodenmaterial eingebettet ist, kann es zweckmäßig sein, die äußere Mantelfläche des Bolzens mit einer Profilierung zu versehen. Beim Abkühlen der Elektroden schrumpft das Elektrodenmaterial in die Profilierung ein, so daß der Bolzen auch bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien vor dem Herausfallen geschützt ist.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach der Lehre der Erfindung besteht darin, daß man in eihen Block aus einem gut wärmeleitenden Metall eine Bohrung einbringt, in die Bohrung einen Bolzen aus einem warmfesten Metall einfügt, der Verbundblock nach Erwärmung in einer Strangpresse verpreßt und abschließend das Halbzeug einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Weiterhin ist es auch möglich, in ein Rohr aus einem gut leitenden Metall eine Stange aus einem warmfesten Material einzubringen, das Rohr und die Stange gemeinsam auf eine kleinere Querschnittsabmessung herunterzuziehen oder -zuwalzen und das Halbzeug anschließnd einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Von dem auf diese Weise hergestellten Halbzeug können dann Abschnitte entsprechender Länge abgetrennt und zu der Elektrode verarbeitet werden.
Bei allen diesen Verfahren ist es wesentlich, die Berührungsflächen zwischen den unterschiedlichen Metallen vor dem Vereinigen von Oxiden bzw. von Fett zu befreien. Dadurch ist ein einwandfreier metallischer Übergang zwischen den unterschiedlichen Metallen gewährleistet. Bestehen die unterschiedlichen Materialien beide aus aushärtbaren Kupferlegierungen, so muß die Wärmebehandlung so auf das Material abgestimmt werden, daß für beide Metalle ein Optimum der geforderten physikalischen Eigenschaften erzielt wird, d.h. hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit für das außenliegende Material und hohe Warmfestigkeit für das innenliegende Material. Mit Vorteil kann der Bolzen aus dem hochwarmfesten Werkstoff auch in die Kontaktfläche eingeschraubt werden. Dadurch wird aufgrund der großen Berührungsfläche ein guter Wärmeübergang erzielt.
Die Erfindung ist anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Elektrodenhalten 1 einer Widerstandsschweißanlage ist die Elektrode 2 mittels eines Kegelsitzes und/oder mittels einer Verschraubung eingefügt. Die Elektrode 2 weist vorteilhafterweise eine Sackbohrung 3 auf, die zur Führung eines Kühlmittels dient. In der Kontaktfläche 4 der Elektrode 2 ist gemäß der Erfindung ein Kern 5 eingesetzt, der aus einem hochwarmfesten Material besteht. Die Stirnfläche 6 des Kernes 5 ist vorteilhafterweise kleiner als die Kontaktfläche 4 der Elektrode. Dadurch ist gewährleistet, daß die beim Schweißen entstehende Wärme über den den Kern 5 umgebenden Bereich der Kontaktfläche 4 in Richtung auf den Elektrodenhalter 1 abgeführt werden kann und auf das in der Sackbohrung 3 befindliche Kühlmittel übertragen werden kann. Das Material der Elektrode 2 sollte deshalb einen hohen elektrischen und thermischen Leitwert aufweisen. Aus diesem Grunde verwendet man für das Elektrodenmaterial reines Kupfer oder hochleitfähige Kupferlegierungen, wie Kupfer-Cadmium, Kupfer-Silber und andere. Aber auch aushärtbare Kupferlegierungen, wie beispielsweise Kupfer-Chrom-, Kllpfer-Zirkon-, Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierungen können bevorzugt verwendet werden, insbesondere dann, wenn der Kern 5 aus einem Material sehr hoher Warmfestigkeit hergestellt ist. Der Kern 5 ist vorzugsweise aus einer aushärtbaren Kupferlegierung hergestellt, wie beispielsweise eine Kupfer-Kobalt-Beryllium-, Kupfer-Chrom-Zirkon- oder Kupfer-Zirkon-Legierung.
Zur Herstellung der Elektrode gemäß der Lehre der Erfindung wird zunächst in einen Rohling, der beispielsweise von einer Stange abgetrennt wurde, eine Sackbohrung eingebracht. In diese Sackbohrung wird dann der Kern 5 aus hochwarmfesten Material eingepreßt. Dazu kann es zweckmäßig sein, entweder den Kern 5 abzukühlen oder die Elektrode 2 zu erwärmen und anschlzßend einen Temperaturausgleich herbeizuführen. Durch diesen Schrumpfvorgang werden die Berührungsflächen fest gegeneinandergepreßt. Bei diesem Verfahren kann es auch zweckmäßig sein, die äußere Mantelfläche des Kernes 5 vor dem Einfügen in die Sackbohrung mit einer Profilierung zu versehen, beispielsweise einer Rändelung, die eine mechanische Verbindung zwischen dem Kern 5 und der Elektrode 2 herbeiführt.
Anhand der Tabelle läßt sich der wesentliche Vorteil, den eine Elektrode gemäß der Lehre der Erfindung gegenüber den bisher verwendeten Elektroden aufweist, klar erkennen. Es wurden Elektroden aus einer Kupfer-Kobalt-Beryllium-Legierung mit 2 % Kobalt und 0,5 % Beryllium (Probe 1), aus einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung mit 0,6 % Chrom und 0,12 % Zirkon (Probe 2) und aus einem Werkstoff gemäß der Lehre der Erfindung (Probe 3) verglichen. Das Kernmaterial bestand aus einer Kupferlegierung mit 2 % Kobalt und 0,5 % Beryllium, das Mantelmaterial aus einer Kupfer-Legierung mit 0,6 % Chrom und 0,12 °h Zirkon.
Material Anzahl der Schweißungen Probe 1: Cu-Co-Be 2000 Probe 2: Cu-Cr-Zr 6500 Probe 3: Cu-Cr-Zr, Cu-Co-B 100000 Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß völlig überraschend eine Kombination gemäß der Lehre der Erfindung wesentlich zur Erhöhung der Standzeit beiträgt. Der Grund für das negative Abschneiden der relativ hochwarmfesten Materialien Cu-Cr-Zr und Cu-Co-Be ist in dem Überschreiten des Erweichungspunktes dieser Legierungen zu suchen. Durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien entsteht ein Wärmestau, der zu einer erhöhten Temperaturbelastung führt. Durch die Kombination von relativ gut wärmeleitfähigem Material und hochwarmfestem Material (Probe) wird das Kernmaterial intensiv gekühlt, so daß der Erweichungspunkt nicht überschritten wird.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Elektrode aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hoher Leitfähigkeit für die elektrische Widerstandsschweißung dadurch gekennzeichnet1 daß ein Teil der Kontaktfläche aus einem Material hoher Leitfähigkeit und der übrige Teil aus zumindest einem Material hoher Warmfestigkeit besteht.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Warmfestikeit in der Mitte der Kontaktfläche angeordnet ist und von dem Metall höherer Leitfähigkeit umgeben ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zumindest aus drei unterschiedlichen Materialien besteht, deren Leitwert von innen nach außen und deren Warmfestigkeit von außen nach innen zunimmt.
4. Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Warmfestigkeit aus einer aushärtbaren Kupferlegierung besteht.
5. Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Leitfähigkeit aus einer aushärtbaren Kupferlegierung mit 0,4 - 0,7 O,o Chrom und 0,05 - 0,15 °/0 Zirkon und das Material hoher Warmfestigkeit aus einer aushärtbaren Kupferlegierung mit 1,6 - 2,2 > Kobalt und 0,2 - 0,6 % Beryllium besteht.
6. Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material höherer Warmfestigkeit aus einer dispersionsverfestigten Kupferlegierung besteht.
7. Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekemlzeichnet, daß das Material hoher Warmfestigkeit aus hitzebeständigen Metallen, wie Wolfram, Mdyldän u.ä. besteht.
8. Verfahren zur herstellung einer Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kontaktfläche der Elektrode eine Sackbohrung eingebracht, die Elektrode darauf erwärmt, in die Bohrung ein stramm sitzend er Bolzen aus einem Material hoher Warmfestigkeit eingebracht und die Elektrode abgekühlt wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Block aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine Bohrung eingebracht, in die Bohrung ein Bolzen aus einem warmfesten Metall eingefügt, der Verbundblock nach Erwärmung in einer Strangpresse verpreßt und anschließend das Halbzeug ggf. einer ssärmebehalldlung unterzogen wird.
10. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Rohr aus Kupfer oder einer Kupferigierung eine Stange aus einem warmfesten Metall eingebracht, das Rohr und die Stange gemeinsam auf kleinere Querschnittsabmessungen heruntergezogen und/oder gewalzt werden utld das Halbzeug anschliSend ggf. einer Wärmebehandlung uriterzogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen zwischen den unterschiedlichen Metallen vor dem Vereinigen von Oxiden befreit werden.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen in die Kontaktfläche eingeschraubt wird.