DE2641016A1

DE2641016A1 - Elektrode zur widerstandsschweissung

Info

Publication number: DE2641016A1
Application number: DE19762641016
Authority: DE
Inventors: Michael Adam Glagola
Original assignee: Reynolds Metals Co
Current assignee: Reynolds Metals Co
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1976-09-11
Publication date: 1977-03-24
Also published as: FR2361967A1; JPS5236537A; BR7606073A; GB1554297A; AU1723476A; SE7610233L; US4044220A

Description

Die Erfindung betrifft die Widerstandsschweissung und insbesondere ein Widerstandsschweißverfahren, bei welchem zwei Werkstückkontaktelektroden verwendet werden, zu denen auch verschiedene Verfahrensformen, wie Punktschweissen und Nahtschweissen, Rollennahtschweissen und Buckelschweissen, gehören.

Beim Widerstandsschweissen werden im allgemeinen die Änlageflächen der miteinander zu verbindenden elektrisch leitenden Teile einander mit Druck überlagert. Das Schmelzen

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oder Zusammenfließen dieser Flächen geschieht dadurch, daß man einen elektrischen Strom durch einen Stromkreis fließen läßt, von dem das Werkstück einen Teil bildet. Bei der hier behandelten besonderen Form der Widerstandsschweissung wird elektrischer Kontakt mit dem iierkstück hergestellt und zur Speisung desselben sind gewöhnlich zwei einander gegenüberliegende Elektroden vorgesehen.

Bekanntlich treten oft beträchtliche Probleme hinsichtlich der Oberflächenverunreinigung des Werkstücks auf. Dies ist besonders der Fall, wenn das Werkstück aus einem aluminiumhaltigen Material ist, das, wenn es offenliegt, rasch einer Oxydation unterliegt.

Wenn die äusseren freiliegenden Flächen des Werkstücks oxydiert oder in anderer Weise verunreinigt werden, ist zu erwarten, daß die Zahl der einwandfreien Schweißverbindungen, die zwischen der Nachbearbeitung der Elektroden oder dem Auswechseln derselben erzielbar sind, wesentlich abnimmt. Es wurde daher bisher viel Aufmerksamkeit darauf gerichtet, daß für eine Reinigung des Werkstücks vor dem Schweissen gesorgt wird.

Abgesehen von den Problemen, die mit der Verunreinigung verbunden sind, muß ferner verschiedenen Nachteilen Rechnung getragen werden, die durch die Neigung des Metalls des Werkstücks bedingt sind, in den Werkstück-Kontaktflächenteil einer herkömmlichen Kupferelektrode oder einer Elektrode aus einer Legierung auf Kupferbasis zu diffundieren. Ein Versuch, die erwähnten Nachteile zu beseitigen, ist in der US-Patentschrift 3 665 145 beschrieben, auf die im vorliegenden Zusammenhang verwiesen wird. Nach der genannten Patentschrift kann eine herkömmliche Elektrode dadurch verbessert werden, daß eine Werkstückkontaktschicht auf ihr dadurch gebildet wird, daß der entsprechende Oberflächenteil

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der Elektrode mit einem Material beschichtet wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Beryllium, Kobalt, Eisen und hochschmelzenden Legierungen der vorgenannten Elemente besteht.

Obwohl von den in der vorgenannten Patentschrift enthaltenen Lehren gesagt werden kann, daß sie von wesentlicher Bedeutung in Zusammenhang mit den durch Diffusion verursachten Nachteilen ist, haben Versuche gezeigt, daß sie von geringer Wirkung bei einer bestimmten Gruppe von Problemen sind, welche durch Verunreinigung herbeigeführt werden. Mit anderen Worten, es hat sich die bloße Befolgung der Prinzipien, die in der vorgenannten Patentschrift enthalten sind, nicht als wirksamer Ersatz für das Entfernen der Verunreinigung von dem Werkstück erwiesen.

Was nun festgestellt wurde, ist, daß ein Kugelstrahlen des entsprechenden Oberflächenteils einer herkömmlichen Elektrode synergetisch mit dem nachfolgenden Aufbringen eines Überzugs auf diese, wie in der genannten Patentschrift gelehrt, reagiert und das Ergebnis eine verbesserte Elektrode mit einer wesentlich grösseren vergleichbaren Nutzungsdauer ist, wenn sie zum Schweissen eines verunreinigten Werkstücks verwendet wird.

Ohne durch diese Aussage gebunden zu werden, dürfte dieses Ergebnis aus zwei Gründen erhalten werden. 1. dürfte das Kugelstrahlen eine Kaltverfestigung der betroffenen Elektrodenoberfläche bewirken und sie dadurch beständiger gegen Verformung machen, die bekanntlich einen nachteiligen Einfluß auf die Qualität der Schweißverbindung hat. Es wird angenommen, daß eine solche Verformung typisch durch Verunreinigung begünstigt wird, die durch die Vergütungswirkung der resultierenden Zunahme der örtlichen Erhitzung be-

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dingt ist. 2. wird vermutet, daß durch das Kugelstrahlen die betroffene Elektrode mit zahlreichen Eindrücken versehen wird, so daß eine Vielzahl von relativ scharfen Rändern zwischen benachbarten Eindrücken erhalten wird. Es wird angenommen, daß diese Ränder die Verunreinigungsschicht auf dem Werkstück praktisch perforieren kann, wodurch deren Verzweigungen wirksam vermieden werden. Hinsichtlich der Rolle, die durch die Beschichtung gespielt wird, wird keine erläuternde Vermutung über die in der genannten Patentschrift gegebenen Lehren hinaus angegeben.

Eines der Merkmale der erfindungsgemäßen Elektrode gegenüber bekannten WiderstandsSchweißelektroden besteht darin, daß eine herkömmliche Elektrode aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, die nachfolgend als Körper bezeichnet wird, einen Oberflächenteil aufweist, der mit einer Beschichtung versehen ist, die eine Werkstückkontaktelektroden-Aussenfläche bildet, welche Beschichtung aus einem aus der Gruppe ausgewählten Material ist, die aus Nickel, Beryllium, Kobalt, Eisen und hochschmelzenden Legierungen der vorgenannten Elemente besteht.

Das Hauptmerkmal der Erfindung in deren weitestem Sinne besteht in einem Körper, dessen zu beschichtender Oberflächenteil den Eindruck vermittelt, daß er durch Kugelstrahlen behandelt worden ist. Mit anderen Worten, die Erfindung ist auf einen geeignet beschichteten Körper gerichtet, dessen Oberflächenteil unter der Beschichtung solche Merkmale aufweist, wie sie durch Kugelstrahlen oder ein anderes Verfahren, das zu einem ähnlichen Ergebnis führt, erhalten werden. In diesem Zusammenhang wird angenommen, jedoch nicht behauptet, daß exemplarisch für solche Merkmale eine kaltverfestigte Oberfläche mit einer Vielzahl von Eindrücken bzw. Eintiefungen ist (und damit miijfeiner Vielzahl von relativ scharfen Rändern oder VorSprüngen).

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Die Erfindung umfaßt ferner eine Ausführungsforn, die sich als besonders geeignet zum Schweissen von aluminiurahaltigen Werkstoffen erwiesen hat. Eei dieser Ausführungsform ist ein durch Kugelstrahlen behandelter Körper oder dessen Äquivalent in Kombination mit einer Beschichtung aus Nickel und insbesondere einer Beschichtung aus Nickel mit Mattglanz von der Art, wie sie durch Galvanisieren ohne Aufhellungs- oder Poliermittel erhalten wird.

Im Zusammenhang mit der vorgenannten Ausführungsform wurde ermittelt, daß die Dicke der Beschichtung eine wesentliche Wirkung auf die zu erzielenden Ergebnisse hat. Daher beträgt der gegenwärtig bevorzugte Bereich für die Dicke der Nickelbeschichtung zum Schweissen von aluminiumhaltigen Werkstoffen zwischen etwa 0,000254 mm (etwa 0,00001 ") und etwa 0,0254 mm (etwa 0,001 ") und insbesondere wird gegenwärtig eine Dicke von etwa 0,001778 mm (etwa 0,00007 ") gewünscht.

Im Zusammenhang mit der vorangehend beschriebenen Ausführungsform wurde ferner festgestellt, daß, wenn zum Konditionieren des Körpers eine Kugelstrahlungsbehandlung angewendet wird, die Form, Größe, das Material und. die Eewegungsenergie der Kugel von einer gewissen Bedeutung ist. Daher wird gegenwärtig eine im wesentlichen sphärische Kugel aus Aluminiumoxid bevorzugt, die eine mittlere Größe hat, welche etwa 0,274 mm lichte Maschenweite (etwa 54 mesh) entspricht, wenn sie mit einer Luftdruckdifferenz von etwa

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4,55 kp/cm (etwa 65 psi) geblasen wird.

Weitere Einzelheiten, Anwendungsarten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung.

Im vorliegenden Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die be-

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schriebenen Ausführungsformen nur beispielsweise angegeben sind und daher nicht die Erfindung beschränktend auszulegen sind. Beispielsweise kann, obwohl eine erfindungsgemäße Elektrode zum Schweissen von aluminiumhaltigen Werkstoffen näher beschrieben wird, die Erfindung auch andere Formen umfassen, wie sich aus der gegebenen Offenbarung als GAnzes ergibt.

Was den Körper der erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelektrode betrifft, so wird angenommen, daß die verschiedenen unter Diskussion stehenden Prinzipien allgemein auf herkömmliche Formen anwendbar sind, wie sie in der Technik des Punktschweissens, des Nahtschweissens, des Heft- und Rollennahtschweissens bekannt sind. Der Körper ist im allgemeinen aus Kupfer oder aus einer Legierung auf Kupferbasis, obwohl auch andere Werkstoffe möglich sind.

Gemäß den Lehren der Erfindung wird der Oberflächenteil des Körpers, der im Gebrauch dem Werkstück am nächsten liegt, so konditioniert, daß er Merkmale hat, wie sie durch Kugelstrahlen erzielbar sind. Solche Merkmale können in der Praxis beispielsweise dadurch vorgesehen werden, daß der Oberflächenteil des Körpers vor dem Aufbringen der Beschichtung durch Kugelstrahlen behandelt wird.

Wie erwähnt, erfordert die Erfindung eine Beschichtung in Kombination mit dem Konditionierten Körper, welche Beschichtung aufgebracht wird, um eine äussere Werkstückkontaktfläche der Elektrode zu bilden. Geeignete Materialien zur Beschichtung sind Nickel, Beryllium, Kobalt, Eisen und hochschmelzende Legierungen der vorgenannten Elemente. Die Beschichtung kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren aufgebracht werden, wie in der vorgenannten US-Pa-

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tentschrift angegeben.

Wenn die Erfindung zum Schweissen aluminiumhaltiger Werkstoffe angewendet werden soll, wird gegenwärtig bevorzugt, daß die Beschichtung aus Nickel ist. Hier hat sich ein Standard Watts-Bad als ideales Überzugsverfahren erwiesen. Darüber hinaus ist hervorzuheben, daß die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn Zusätze wie Glanz- und Nivellierungsmittel beim Bad weggelassen wurden, so daß ein Nickelüberzug mit Mattglanz erhalten wird.

Wegen weiterer Einzelheiten einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung sowie deren verschiedenen Vorteilen wird auf die folgenden Beispiele verwiesen:

Beispiel 1

Bei den Versuchen zu diesem Beispiel wurden Bleche mit einer Dicke von 1,016 mm (0,040 ") 2O36-T4 maschinenglattes Aluminiumblech einer Punktschweissung unterzogen. Es wurde kein Versuch unternommen, Oxyd von dem Blech vor dem Schweissen zu entfernen oder in anderer Weise zu reinigen.

Die verwendete Maschine war eine 100 kVA preßluftbetätigbare Preßpunktschweismaschxne unter Verwendung von Sciaky-Synchronsteuerungen und wassergekühlten Elektroden. Für den Schweißstromkreis wurde ein Netz von 60 Hz, 440 Volt, mit Sekundärgleichrichtung verwendet. Bei allen Tests wurde ein Einzelpreßzyklus benutzt.

Die Versuche wurden in der Hauptsache in der Weise durchgeführt, daß eine gegebene Gruppe von Elektroden aufeinanderfolgenden Punktschweißvorgängen unterzogen wurde, bis

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eine merkliche Abnahme in der Qualität der Schweißverbindung festgestellt werden konnte. Dieser Punkt wurde erreicht, wenn weniger als 75 % von 100 aufeinanderfolgenden Schweißvorgängen ein Nugget von voller Höhe beim Ablösen der Bleche ergaben.

Bei dem Grundexperiment, Klasse I, 15,88 mm (5/8 ") Durchmesser, 76,2 mm (3 ") Radius an der Spitze, Kupferelektroden wurden je einer KugelStrahlenbehandlung unterzogen und mit einem überzug aus mattem Nickel von 0,001778 mm (0,00007 ") versehen.

Das Kugelstrahlen wurde durchgeführt unter Verwendung eines Trinco-Dryblast Master Model 48 Perlenbläsers, der von der Firma Trinity Tool Co., 25140 Easy Street, Warren, Michigan, USA, hergestellt worden war. Der Bläser wurde mit einem

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Preßluftdurck von etwa 4,55 kp/cm (etwa 65 psi) betrieben und es wurden Trin-Blast 54 mesh Aluminiumoxidperlen verwendet, die ebenfalls von der Trinity Tool Company hergestellt worden waren.

Hierauf wurden die mit Kugelstrahlen behandelten Elektroden dadurch mit Nickel galvanisiert, daß sie etwa zwei Minuten lang in ein Watts-Bad eingetaucht wurden, dessen Zusammensetzung und Betriebsparameter wie folgt waren:

Zusammensetzung

Nickelsulfat 907,18 g/3,79 1 (32 Oz/gal.)

(NiSO₄ . 6H₂O)

Nickelchlorid 170,10 g/3,79 1 (6 Oz/gal.)

(NiCl₂ . 6H₂O)

Borsäure 113,40 g/3,79 1 (4 Oz/gal.)

(H₃BO₃)

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Betriebsparameter

Temperatur 57,22° C (135° F)

pH 5,2

Stromdichte 30 Amp/929 cm² (30 amp/ft²)

Im Verlauf des Grundexperiments wurden etwa 2000 erfolgreiche Schweißverbindungen erhalten, bevor eine Herabsetzung der Qualität der Schweißverbindung festgestellt werden konnte.

Als erste Kontrollmaßnahme wurde das Experiment unter annähernd gleichen Bedingungen mit der Ausnahme wiederholt, daß die Elektroden weder einer Kugelstrahlenbehandlung unterzogen noch mit einem überzug versehen worden waren. In diesem Falle konnten nur etwa 750 Schweißverbindungen erhalten werden.

Als zweite Kontrollmaßnahme wurden die Bedingungen des Grundexperiments mit der Ausnahme wiederholt, daß die Elektroden nicht mit einem überzug versehen waren. In diesem Falle konnten nur etwa 900 Schweißverbindungen erhalten werden.

Schließlich wurde das Grundexperiment mitdsr Ausnahme wiederholt, daß die Elektroden keiner Kugelstrahlenbehandlung unterzogen worden waren. Bei diesem Versuch betrug die Zahl der einwandfreien Schweißverbindungen nur etwa 750.

Beispiel 2

Gegenstand dieses Beispiels ist die Bemühung, die Kritikalität der Dicke des Nickelüberzuges zu ermitteln. Es wurde daher das Grundexperiment von Beispiel 1 mit der Ausnahme wiederholt, daß die Plattierungsdicke auf 0,0381 mm (0,0015 "), 0,0254 mm (0,0010 "), 0,00508 mm (0,00020 ", 0,00254 mm

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(0,00010 "), 0,001016 mm (0,00004 ") und 0,000508 mm (0,00002 ") verändert wurde. Die Zahl der bei jeder Dicke erhaltenen einwandfreien Schweißverbindungen waren 20, 100, 1600, 1500, 760 und 1000. Zweifellos stellen die 2000 Schweißverbindungen in Beispiel 1 für eine Dicke von 0,001778 mm (0,00007 ") das beste Ergebnis im Vergleich dar.

Beispiel 3

Der Zweck des Experiments zu Beispiel 3 war, die Bedeutung der Art des Nickel-finish festzustellen. Es wurde daher das Grundexperiment von Beispiel 1 mit der Ausnahme wiederholt, daß dem Bad ein Glanzmittel zugesetzt wurde. Bei diesem Versuch mußte der Betrieb nach 40 Schweißverbindungen abgebrochen werden, da durch die Elektroden Metallpflöcke aus dem Werkstück herausgezogen wurden.

Beispiel 4

Der Zweck der Versuche bei diesem Beispiel war die Feststellung der Bedeutung der Größe der zum Kugelstrahlen verwendeten Kugel. Auch in diesem Falle wurde das Grundexperiment von Beispiel 1 mit der Ausnahme wiederholt, daß Aluminiumoxidperlen mit einer Größe entsprechend einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,149 mm (100 mesh), etwa 0,50 mm (36 mesh) und etwa 0,71 mm (24 mesh) verwendet wurden. Obwohl etwa 2000 Schweißverbindungen in jedem Falle erhalten wurden, wurde festgestellt, daß die Elektroden Anzeichen verschiedener Grade von Grübchenbildung zeigten, ein Problem, das im Verlauf des Grundexperiments nicht auftrat.

Obwohl vorangehend verschiedene beispielsweise Ausführungs-

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formen der Erfindung sowie Methoden zur Durchführung derselben beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern kann innerhalb ihres RAhmens verschiedene Abänderungen erfahren.

Patentansprüche:

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Claims

264101Q Patentansprüche :

1. Elektrode zum Widerstandsschweissen mit einem Körper aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis sowie einem Werkstückkontaktflächenüberzug auf einem Oberflächenteil des Körpers, welcher überzug aus Nickel/ Beryllium, Kobalt, Eisen oder einer hochschmelzenden Legierung der vorgenannten Elemente zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenteil des Körpers die Merkmale einer durch Kugelstrahlen behandelten Oberfläche hat.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug aus Nickel ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug Mattglanz hat.

4. Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs innerhalb des Bereiches von 0,0254 mm bis 0,000254 mm (0,001 bis 0,00001 ") liegt.

5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs etwa 0,001778 mm (etwa 0,00007 "]

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beträgt.

6. Elektrode nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Oberflächenteil die Eigenschaften einer Fläche hat, die durch Kugelstrahlen mit im wesentlichen sphärischen Kugeln aus Aluminiumoxid von einer mittleren Größe behandelt worden ist, die einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,274 mm (etwa 54 mesh) entspricht, wobei die

2 Kugeln mit einer Luftdruckdifferenz von etwa 4,55 kp/cm (etwa 65 psi) geblasen worden sind.

7. Elektrode nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenteil des Körpers kaltverfestigt worden ist und zahlreiche Eindrücke aufweist.

8. Verfahren zur Bildung einer Werkstückkontaktschicht auf einem Oberflächenteil eines Körpers aus Kupfer oder aus einer Legierung auf Basis von Kupfer einer Widerstandsschweißelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenteil des Körpers durch Kugelstrahlen behandelt wird und der kugelstrahlenbehandelte Oberflächenteil des Körpers mit einem überzug aus Nickel, Beryllium, Kobalt, Eisen oder aus einer hochschmelzenden Legierung der vorgenannten Elemente überzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Oberflächenteil mit Nickel überzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenteil mit Nickel von einem Mattglanz überzogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenteil mit Nickel bis zu einer Dicke innerhalb des Bereiches von 0,000254 jam bis 0,0254 mra (0,00001 bis 0,001 ") überzogen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Oberflächenteil einer Kugelstrahlenbehandlung durch im wesentlichen sphärischen Kugeln aus Aluminiumoxid unterzogen wird, die eine Durchschnittsgröße haben, welche einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,274 mm (etwa 54 mesh) entspricht, und mit einer Luftdruckdifferenz von

etwa 4,55 kp/cm (etwa 65 psi) geblasen werden.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Oberflächenteil mit Nickel bis zu einer Dicke von etwa 0,001778 mm (etwa 0,00007 ") überzogen wird.

14. Widerstandsschweißelektrode mit einer Werkstückkontaktschicht, die nach einer in den Ansprüchen 8-13 gekennzeichneten Verfahren gebildet worden ist.

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