DE2723072A1

DE2723072A1 - Verfahren zum verbinden von schichten durch verschweissen

Info

Publication number: DE2723072A1
Application number: DE19772723072
Authority: DE
Inventors: C Robert Gasparrini
Original assignee: Baldwin Gegenheimer Corp
Current assignee: Baldwin Gegenheimer Corp
Priority date: 1977-05-09
Filing date: 1977-05-21
Publication date: 1978-11-23
Also published as: GB1577067A; JPS53138950A; US4096374A; DE2723072C2; IT1086332B; JPS5945470B2; FR2390235B1; FR2390235A1

Description

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PATENTANWÄLTE

Dlpl.-Ing. P. WIRTH · Dr. V. SCH MI ED-K O W ARZIK Dipl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON (0611)

287014 GR. ESCHENHEIMER STBASSE 3»

Gu/ki Case: GEGEN-42

20. Mai 1977

Baldwin-Gegenheimer Corporation 401 Shippan Avenue

Stamford, Connecticut 06902

USA

Verfahren zum Verbinden von Schichten durch Verschweißen

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Schichten miteinander, von denen wenigstens eine aus schweißbarem Material besteht, durch Verschweißen.

Ziel der Erfindung ist es, ein neuartiges Schweißverfahren vorzuschlagen, mit dem zwei Schichten wirksam, schnell und dauerhaft miteinander verbunden werden können.

Zum Verbinden von Schichten gibt es zahlreiche Verfahren, beispielsweise durch Verschweißen. Verschweißen wird gelegentlich als Punktschweißen durchgeführt. Beim Punktschweißen werden wenigstens zwei Schichten übereinander gelegt. Die Schichten bestehen herkömmlicherweise aus schweißbarem Material. An ausgewählten Punkten wird elektrischer Strom und Druck ausgeübt, wodurch das Verschweißen der Schichten an diesen ausgewählten Punkten erfolgt.

Beim herkömmlichen Punktschweißen werden zwei Schichten übereinandergelegt. Elektroden werden an die einander entgegengesetzten Flächen der Schichten miteinander fluchtend angelegt und elektrische Spannung wird an die Elektroden angelegt. Dieses Verfahren hat einige Nachteile, die die Wirksamkeit dieses vorbekannten Verfahrens begrenzen. Beispielsweise teilt sich der Strom auf, wenn eine Reihe von Schweißpunkten zur Verbindung der Materialschichten miteinander vorgesehen ist. Mit anderen Worten gesagt, fließt ein gewisser Anteil des elektrischen Stromes direkt zwischen den Elektroden, während ein anderer Anteil des Stromes durch die benachbarten Schweißpunkte

kurzgeschlossen wird. Dadurch ergibt sich ein von Zufälligkeiten abhängiger Anteil des Stromes, der für den neuen Schweißpunkt zur Verfügung steht, und zwar abhängig von dem Abstand der vorher hergestellten benachbarten Schweißpunkte

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und dem Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Materialschichten am neuen Schweißpunkt.

Wenn die Materialschichten oder wenigstens eine dieser Schichten aus nicht schweißfähigem Material besteht oder aus einem Material, welches nur schwer zu verschweißen geht, so wird gelegentlich das sogenannte Nietschweißen (plug welding) eingesetzt.

Bei diesem Nietschweißen wird ein zylindrischer oder scheibenförmiger Niet aus schweißfähigem Material geformt. Eine öffnung oder ein Loch wird in der oberen Materialschicht ausgebildet, die nicht notwendigerweise schweißbar ist. Der Niet wird dort eingesetzt, so daß er sich in Kontakt mit der unteren Materialschicht befindet. Die Probleme des Stromkurzschlusses können aber auch hierbei auftreten sowie auch bei anderen Techniken, die eine dielektrischeBeschichtung benutzen.

Eine andere Technik zum Verbinden von unter Abstand voneinander angeordneten, schweißfähigen Materialien verwendet eine sandwichartige Konstruktion. Die Außenschicht dieses MehrSchichtenaufbaues muß dabei aus schweißfähigen Materialien geformt sein. Der innere Teil des Mehrschichtenaufbaues besteht aus einem dielektrischen Blech oder einer solchen Platte, beispielsweise aus Tetrafluoräthylen, und hat aus schweißfähigem Material bestehende Kugeln, um die Außenschichten der Mehr Schichtenkonstruktion zu verbinden. Dieses Verbindungsverfahren ist dann geeignet, wenn die miteinander zu verbindenden Schichten unter Abstand voneinander angeordnet sind und wenn beide Schichten aus einem schweißfähigen Material bestehen.

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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren zum Verbinden von zwei Materialschichten vorzuschlagen, von denen nur eine Schicht aus schweißfähigem Material besteht. Außerdem soll ein Verfahren zum Verschweißen von Materialschichten vorgeschlagen werden, wobei der elektrische Schweißstrom ohne Nebenschlüsse oder Kurzschlüsse eingesetzt wird. Fernerhin soll ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Materialschichten vorgeschlagen werden, von denen eine Schicht aus schweißfähigem Material besteht, wobei die Schichten zumindest teilweise übereinanderliegen und eine Kugel aus schweißfähigem Material in eine öffnung einer dieser Schichten und in Kontakt mit der Schicht aus schweißfähigem Material gelegt wird, so daß bei Anwendung von Wärme und Druck in ausreichendem Maße die Schichten mittels der Kugel miteinander verbunden werden. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Materialschichten an einer Vielzahl von Punkten vorzuschlagen. Schließlich liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Materialschichten vorzuschlagen, wobei eine der Schichten eine Öffnung oder ein Loch hat, um eine Kugel aus schweißfähigem Material aufzunehmen, wobei die Abmessungen der Kugel bezogen auf die Abmessungen der das Loch aufweisenden Schicht und zur Größe der öffnung neue und unvorhergesehene Resultate ergeben.

Zur Lösung der erwähnten Aufgaben werden wenigstens zwei Schichten aus einem Material miteinander verschweißt, wobei wenigstens eine dieser Materialschichten aus einem schweißfähigen Material besteht, daß eine Kugel aus schweißfähigem Material verwendet wird. Die obere Schicht hat eine öffnung oder ein Loch mit einer besonderen Größe, um die Kugel so aufzunehmen, daß diese auf der unteren Materialschicht berührt. Die Kugel hat einen Durchmesser, der auf

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die Dicke der Schicht mit der Öffnung abgestimmt ist und auf die Größe der Öffnung selbst.

Die Kugel besteht aus einem geeigneten Material, welches bezüglich der unteren Materialschicht schweißfähig ist. Die obere Materialschicht kann aus beliebigem schweißfähigen oder auch nicht-schweißfähigen Material bestehen. Sie muß lediglich die Drücke und Temperaturen aushalten können, die beim Schweißvorgang auftreten.

Nachdem die Kugel in die Öffnung eingesetzt ist, werden die Elektroden an die Kugel und den benachbarten Teil der Unterseite derjenigen Materialschicht angelegt, auf der sich die Kugel abstützt. Elektrischer Strom wird dann durch die Elektroden geleitet und Druck wird, wie bsim herkömmlichen Schweißen, angelegt, so daß die Kugel mit der unteren Schicht verschweißt wird und einen Teil der oberen Schicht übergreift, so daß die beiden Schichten miteinander verbunden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch Querschnitte durch zwei miteinander zu verbindende Schichten zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise des neuartigen Verfahrens, und zwar in drei aufeinander folgenden Stufen A, B bzw. C;

Fig. 2 ebenfalls schematisch derartige Querschnitte zur weiteren Erläuterung von Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritten A, B bzw. C;

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Fig. 3 schematisch einen weiteren Querschnitt zur Darstellung benachbarter Punktschweißungen bei dem Verfahren nach der Erfindung;

Fig. 4 einen schematischen Schnitt entsprechend Fig. 3 zur Erläuterung des Standes der Technik.

Die Figuren 1 und 2 zeigen wenigstens zwei Materialschichten, nämlich eine obere Schicht 2 und eine untere Schicht 4. Erfindungsgemäß liegen diejenigen Teile beider Schichten, die miteinander verbunden werden sollen, übereinander. Die mit der Schicht 4 zu verbindende Schicht 2 kann aus beliebigem schweißfähigen, nicht-schweißfähigem oder nicht leicht schweißfähigem Material bestehen. Die Schicht besteht erfindungsgemäß aus schweißfähigem Material.

Die erste oder obere Schicht 2 hat ein Loch 6, in das eine Kugel 8 aus schweißfähigem Material eingesetzt werden kann. Das Loch 6 ist vorzugsweise kreisförmig. Die Schweißkugel hat einen Durchmesser, der etwas größer als der Durchmesser des Loches 6 ist.

Die Größenverhältnisse zwischen der Kugel 8, der Schicht 2 und dem Loch 6 sind wie folgt: Der Durchmesser D der Kugel geht von 2T bis 5T, wobei T die Schichtdicke der oberen Schicht 2 ist. Es wird bevorzugt, wenn der Kugeldurchmesser gleich 4T ist.

Der Durchmesser des Loches 6 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Kugel 8. Der Durchmesser des Loches 6 liegt zwischen 94 und 96 % und vorzugsweise bei 95 % des Kugeldurchmessers.

Nachdem die Kugel 8, wie in Fig. 1 A dargestellt, positioniert worden ist, werden Elektroden 10 und 12 derart ange-

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ordnet, daß sie Kontakt mit der Oberseite der Kugel 8 bzw. dem benachbarten Teil der Unterseite der Schicht 4 haben.

Bei Anwendung eines elektrischen Stromes und eines Drucks entsprechend den üblichen Schweißtechniken wird die Kugel verformt, wie dies die Figuren 1 B und 1 C zeigen. Die Kugel 8 und die untere Schicht 4 werden miteinander verschweißt, wobei die Kugel 8 verformt worden ist, so daß ein Teil der Oberfläche der oberen Schicht überlappt wird, wodurch die obere Schicht 2 und die untere Schicht 4 miteinander verbunden werden (vgl. insbesondere Pig. 1 C).

Ein Merkmal der Erfindung ist in den Fig. 2 A - C dargestellt, Diese Figuren verdeutlichen eine Selbstzentrierung beim erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 2 A zeigt hierzu, was passiert, wenn die Kugel bezüglich des Loches 6 nicht zentriert ist und die Wände des Loches berührt. Wenn in dieser Situation elektrischer Strom und Druck angelegt wird, passiert das folgende:

a) Der Berührungswiderstand am Punkt der Anlage zwischen Kugel und Loch ist groß genug, um einen Nebenschluß des Stroms zu verhindern, oder

b) der Punkt 3 an der Seite des Loches, der die Kugel berührt, wird weggebrannt, so daß die Kugel im Endeffekt wieder zentriert wird, wie dies in Fig. 2 B

verdeutlicht ist.

Fig. 2 C zeigt, daß die Kugel nach Zentrierung mit der unteren Schicht 4 verschweißt wird und dabei einen Teil der oberen Schicht 2 überlappt, wodurch wiederum die obere Schicht 2 und die untere Schicht 4 miteinander verbunden werden, wie dies vorstehend anhand der Fig. 1 bereits erläutert wurde.

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Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die Verfahrensschritte der an die Elektroden angelegte elektrische Strom praktisch vollständig zum Verschweißen der Kugel mit der unteren Platte verwendet wird. Praktisch gibt es keinen Nebenstrom zu anderen Schweißpunkten. Wie oben erwähnt wurde, zentriert sich die Kugel selbst, wenn sie einmal nicht zentriert eingesetzt sein sollte, (vgl. Fig. 2). Dieses Selbstzentrieren verhindert ebenfalls elektrische Nebenströme zu benachbarten Teilen der oberen Schicht, wenn diese aus einem Material besteht, welches elektrisch leitend ist.

Die Figuren 3 und 4 erläutern und vergleichen die Erfindung mit dem Punktschweißen nach dem Stand der Technik.

Beim herkömmlichen Punktschweißen (vgl. Fig. 4) besteht die obere Schicht 2 aus einem elektrisch leitenden Material. Es bildet sich dabei ein Strompfad zwischen der oberen Elektrode 10 und der unteren Elektrode 12 aus, wobei der Strom C durch einen benachbarten Schweißpunkt 13 im Nebenschluß oder Kurzschluß geleitet wird. Diese Teilung des Stromes kann eine schlechte Schweißverbindung am neuen Schweißpunkt 14 ergeben, und zwar weil dort nicht ausreichend elektrischer Strom durchfließt. Alternativ kann es notwendig werden, den Abstand L zwischen den aufeinander folgenden Schweißpunkten zu vergrößern, wodurch der Nebenschluß des elektrischen Stromes verringert wird. Diese Abstandsvergrößerung kann aber nicht über ein bestimmtes Maß hinausgehen, ohne daß wiederum die Verbindungsqualität darunter leidet. Eine andere Alternative besteht darin, die elektrische Stromstärke zu vergrößern. Dies wiederum kann,bedingt durch den Nebenschluß durch vorhergehende Schweißpunkte und den Kontaktwiderstand am neuen Schweißpunkt,eine schlechte Schweißverbindung hervorrufen.

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- ίο -

Beim anmeldungsgemäßen Verfahren, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, geht der elektrische Strom daher direkt von der Elektrode 10 durch die Kugel 8 und zur Elektrode Der Abstand L kann frei gewählt werden, um eine starke Verbindung zwischen den Schichten 2 und k zu erreichen, weil der Strom keinen Nebenschluß zum benachbarten Schweißpunkt 16 findet.

Beispiel

Die obere Schicht war 0,7112 mm dick und bestand aus Federstahl C1O95, gehärtet auf eine Rockwell-Härte C-50, die mit herkömmlichen Schweißverfahren nicht geschweißt werden kann. Die untere Schicht war 0,9525 mm dick und beetand aus kaltgerolltem Stahl der Qualität C1018.

Die obere Schicht hatte ein kreisförmiges Loch mit einem Durchmesser von 3,048 mm. Eine Kugel mit einem Durchmesser von 3,175 mm aus Stahl der Qualität C1018 wurde in das Loch eingesetzt. Die obere und die untere Elektrode wurden an die Oberseite der Kugel bzw. an die benachbarte Unterseite der unteren Schicht angelegt.

Nach dem Schweißvorgang waren die beiden Schichten miteinander verschweißt.

Aufeinanderfolgende und benachbarte Schweißpunkte wurden hergestellt, wobei der Abstand L zwischen den Schweißpunkten 19 mm betrug. Es ergab sich kein Stromverlust bezüglich vorausgehender Schweißpunkte, weil völlig zufriedenstellende neue Schweißpunkte gebildet wurden, ohne daß die Stromstärke bei den neuen Schweißpunkten vergrößert wurde und auch ohne Vergrößerung der Schweißzeit oder des Schweißdrucks für jeden Schweißpunkt.

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Wichtig bei der Erfindung ist es somit, daß ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Schichten aus Materialien vorgeschlagen wird, von denen eine Schicht aus schweißfähigam Material besteht. Wenigstens eine der Schichten hat eine öffnung zur Aufnahme einer Kugel aus schweißfähigem Material, so daß die Kugel die Schicht aus schweißfähigem Material berührt. Der Durchmesser des Loches liegt im Bereich von 94 bis 9δ % des Durchmessers der Kugel. Der Durchmesser der Kugel liegt im Bereich der zweifachen bis fünffachen Dicke der Schicht desjenigen Materials, welches das Loch hat. Wärme und Druck werden in ausreichender Quantität und lange genug angelegt, um die Kugel mit der Schicht aus schweißfähigem Material zu verschweißen. Die Kugel wird deformiert, so daß sie die andere Schicht teilweise überlappt, wodurch beide Schichten miteinander verbunden werden.

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v/S" Leerseite

Claims

2723U72 Patentansprüche bzw. Schutzansprüche

1. Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Schichten miteinander, von denen wenigstens eine aus schweißbarem Material besteht, durch Verschweißen unter Übereinanderlegen der Schichten,

dadurch gekennzeichnet, daß in einer der anderen Schichten (2) ein Loch angebracht wird, in das eine Schweißkugel (8), deren Durchmesser etwa das Zweifache bis Fünffache der Schichtdicke dieser anderen Schicht (2) beträgt, eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Loches (6) in der einen Schicht (2) im Bereich von 94 bis 96 % des Durchmessers der Kugel (8) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden der Schichten (2, 4) an mehreren Stellen mehrere Löcher ausgebildet werden, in die mehrere Schweißkugeln (8) eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) mit dem oder den Löchern über der Schicht (4) aus schweißbarem Material (4) angeordnet wird.

Der Patentanwalt

Dr. D.'Gudel

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