DE2804816A1

DE2804816A1 - Electrical resistance welding electrode - with heat resistant coating on working face for longer life

Info

Publication number: DE2804816A1
Application number: DE19782804816
Authority: DE
Inventors: Ralf Borgelt; Meinhard Dipl Ing Hecht
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1978-02-04
Filing date: 1978-02-04
Publication date: 1979-08-09

Abstract

Electrodes for electrical resistance welding are made of copper or of a copper alloy with a high thermal and electrical conductivity. The entire working surface of the electrode is coated by a plated layer of a material with a higher heat resistance, pref. a copper alloy susceptible to pptn. hardening. Electrodes absorb the mechanical load by the hard and heat-resistant layer while the rest keep the temp. of the coating down. The result is a better cooling of the working area and a longer electrode life.

Description

Elektrode fiir die elektrische IderstandsschwißungElectrode for electrical resistance welding

Die Erfindung betrifft eine E elctrode fiir die elektrische Widerstandsschweißllng, welche im wesentlichen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit besteht.The invention relates to an electrode for electrical resistance welding, which consists essentially of copper or a copper alloy of high thermal and electrical conductivity exists.

Es sind Elektroden fiir die elektrische Widerstandsschweißung bekannt, die aus einer aushärtbaren Kupferlegierung hergestellt sind, beispielsweise aus einer Kupfer-Chrom- oder Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung. Diese, unter dem Handelsnamen "Elbrodur" erhältlichen Elektroden haben sich aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften bei der Widerstandsschweißung auf dem Markt durchgesetzt.Electrodes for electrical resistance welding are known which are made of a hardenable copper alloy, for example from a copper-chromium or copper-chromium-zirconium alloy. This, under the trade name "Elbrodur" available electrodes have proven themselves due to their excellent properties established in the market for resistance welding.

Die Elektroden dienen dazu, sowohl den notwendigen Strom als auch den Druck für die Verschweißung aufzubringn. Von den Elektroden wird deshalb 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 Schweiß gut erwärmen.The electrodes serve to supply both the necessary current as well to apply the pressure for the weld. One of the electrodes is therefore one high electrical and thermal conductivity and high mechanical strength Required at elevated temperatures, as they are due to the passage of current and warm up well through the supply of heat from the sweat.

Infolge wiederholter Schweißvorgänge wird die Wontaktfläche der Elektrode zunehmend deformiert. Dieser Vorgang wird in der Fachsprache als sogenannter "Pilz- oder Pilzbildungseffekt" bezeichnet. Um eine einwandfreie Schweißung zu erhöhten, ist es deshalb erforderlich, daß man die Elektroden nach einer bestimmten Anzahl von Schweißungen einer Nachlaearbeitung an ihrer Arbeitsflache unterzieht. Die bisherigen Bemiihungen, die Warmfestigkeit und damit die Standzeit der Elektrode durch Verfestigungsmechanismen wie Hörtung durch Phasenumwandlung, Kaltverformung, Mischkristaliverfestigung sowie auch Ausscheidungshärtung und Di spersionsverfesti gung zu erhöhen, führten in allen Fällen zu einer mehr oder weniger stark ausgepren Reduzierung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und damit zu einer erhöhten thermischen Belastung der Kontakt fläche.As a result of repeated welding processes, the contact surface of the electrode becomes increasingly deformed. This process is referred to in technical jargon as the so-called "mushroom or mushrooming effect ". In order to increase a perfect weld, it is therefore necessary that the electrodes after a certain number of welds to rework on their work surface. The previous Efforts to improve the heat resistance and thus the service life of the electrode through solidification mechanisms such as hearing through phase transformation, cold working, solid solution strengthening as well Also increasing precipitation hardening and dispersion hardening resulted in all Cases to a more or less pronounced reduction in thermal and electrical conductivity and thus an increased thermal load on the Contact area.

Anhand von Untersuchungen an im Einsatz gewesenen Elektroden wurde festgestellt, daß im Bereich der Arbeitsfläche ein kugelsegmentförmiges Volumenteil rekristallisiert ist und damit zu einem großen Teil seine Härte verloren hat Aus dem Profil der rekristallisierten Zone kann unmittelbar auf das sich im Bereich der Arbeitsfläche einstellende Temperaturprofil geschlossen werden. Das Profil der rekristallisierten Zone zeigt, daß die Wärmeableitung im Zentrum der Arbeitsfläche nicht ausreichend ist. Die Wärme wird aus Widerstandsschweißelektroden üblicherweise durch Kilhlwasser entfernt, welches durch eine in die rückseitige Stirnfläche der Elektrode eingebracht Sackbohrung strömt. Da aufgrund der mechanischen Beanspruchung während des Schweißprozesses eine bestimmte Materialstärke der Elektrode nicht unterschritten werden kann und andererseits der Kühlwasserzulauf wegen der beengten Raumerhältnisse nicht ohne weiteres gesteigert werden kann, ist eine Verbesserung der Kühlung nur durch Einsatz eines Werkstoffes mit erhöhter elektrischer bzw. thermischer Leitfähigkeit möglich.On the basis of investigations on electrodes that have been in use found that a spherical segment-shaped volume part in the area of the work surface is recrystallized and has thus largely lost its hardness the profile of the recrystallized zone can directly affect the area the temperature profile setting the work surface can be closed. The profile of the recrystallized zone shows that the heat dissipation in the center of the work surface is not sufficient. The heat is usually obtained from resistance welding electrodes removed by Kilhlwasser, which through a into the rear face of the Electrode inserted blind bore flows. Because of the mechanical stress The electrode did not fall below a certain material thickness during the welding process and on the other hand the cooling water supply because of the limited space cannot be easily increased, an improvement in cooling is only by using a material with increased electrical resp. thermal conductivity possible.

Aus diesem Grunde ist bereits eine Widerstandsschweißelektrode vorgeschlagen werden, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hoher Leitfähigkeit besteht, bei der ein Teil der Kontak@fläche aus einem Material hoher Leitfähigkeit und der übrige Teil aus zumindest einem Material boher Wormfestigkeit besteht. Das Material hoher Warmfestigkeit ist bei dieser Elektrode in Form eines Butzens in die Kontaktfläche eingesetzt. Diesem Vorschlag liegt die Überlegung zugrunde, daß während des Schweißens der Butzen sie mechanischen Druckkräfte aufnimmt, während das Kupfer oder die Kupferlegierung hoher Leitfähigkeit ziir Wärmeabfuhr sowohl alls der Kontaktfläche als auch aus dem Butzen heraus berangezogen wird.For this reason, a resistance welding electrode has already been proposed made of copper or a high conductivity copper alloy Part of the contact surface is made of a material of high conductivity and the rest Part consists of at least one material boher worm resistance. The material higher With this electrode, heat resistance is in the form of a slug in the contact surface used. This proposal is based on the consideration that during welding the slug absorbs mechanical compressive forces, while the copper or the copper alloy high conductivity for heat dissipation both from and from the contact surface the slug is pulled out.

Der Erfindung liegt die Aufgahe zugrunde, eine El ektrode für die elektrische Widerstandsschweißung zu finden, d erell Standzeit wesentlich höher liegt als die der bisher verwendeten Elektroden.The invention is based on the task of providing an electrode for the Find electrical resistance welding, the service life is much longer than that of the previously used electrodes.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die gesamte Kontaktfläche der Elektrode eine Plattierschicht aus einem Werkstoff mit t einer höheren Warmfestigkeit als das übrige Elektrodenmaterial trtigt. Dabei geht man von der Überlegung aus, daß die vergleichsweise dünne Schicht mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 0,5 bis 3 mm aus dem Werkstoff hoher Härte und hoher Warmfestigkeit die mechanische Beanspruchung übernimmt, während das übrige Elektrodenmaterial hd@er elektrischer und thermischer Leitfähigkeit dem Wärmeabtransport dient und insbesondere dafür sorgt, daß -die Temperatur in der Plattierschicht einen bestimmten Wert nicht überschreitet Durch die Materialkombination wird eine bessere Kijhlijtig der Arbei tsflsiche erreicht, was zu höheren Standzeiten der Elektrode führt.This object is achieved in that the entire contact surface of the Electrode a clad layer made of a material with a higher heat resistance than the rest of the electrode material. One starts from the consideration, that the comparatively thin layer with a layer thickness of preferably 0.5 up to 3 mm made of the material of high hardness and high heat resistance, the mechanical Stress takes over, while the rest of the electrode material is electrical and thermal conductivity is used to dissipate heat and in particular for this ensures that the temperature in the cladding layer does not exceed a certain value Through the Combination of materials will make the work better tsflsiche achieved, which leads to a longer service life of the electrode.

11, besotiders vorteilhafter Weise besteht die Plattierschicht aus einer vorzugsweise aushärtbaren Kupferlegierung.11, particularly advantageously, the cladding layer is composed of a preferably age-hardenable copper alloy.

Die Erfindung hetrifft weiterhin ein Verf stellung einer derartigen Elektrode, welches sich dadurch alls7cichnet, daß zunächst ein Blech als Kupfer oder einer Kupferlegierung hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit mit einem Blech ans einer Kupferlegierung mit einer höheren Warmfestigkeit plattiert wird und anschließend aus dem Blech die Elektroden mit gleichzeitiger Formgebung zur fertigen Elektrode bzw. Elektrodenkappe ausgestanzt werden. Obwohl sich die Bleche sehr gut explosioiisplattieren oder kaltplattieren lassen, hat es sich jedoch als zweckmäßiger erwiesen, durch Warmwalzen zu plattieren.The invention also applies to a Ver position of such Electrode, which is characterized by the fact that first of all a sheet metal as copper or a copper alloy with high thermal and electrical conductivity a sheet of a copper alloy with a higher heat resistance clad and then the electrodes from the sheet metal with simultaneous shaping be punched out to the finished electrode or electrode cap. Although the However, it has turned out to be very good for metal sheets to be explosive-plated or cold-plated Proven to be more convenient to plate by hot rolling.

Im Anschluß an diesen Plattiervorgang wird der plattierte Körper, wenn eine aushärtbare Kupferlegierung als Plattierschicht verwendet wird, bei einer Temperatur gesgliiht, woche eine Lösung der die Ausscheidungshärtung bewirkenden Legierungskomponenten im Kupfer verursacht, darauf wird der plattierte Körper auf das Endmaß gewalzt und sodann eine Ausscheidungswärmebehandlung durchgeführt und abschließend die Elektrode ausgestanzt. Die Ausscheidungswärmebehandlung ist wiederum auf den Plattier-werkstoff abgestimmt. Um das Verfahren noch wirtschaftlicher zu gestalten, wird mann vorteilhafterweise während des Stanzens gleichzeitig mehrere Elektroden ausstanzen.Following this plating process, the plated body, when an age-hardenable copper alloy is used as the cladding layer, at a Heated at temperature, week a solution of the precipitation hardening effect Alloy components caused in the copper, on which the clad body gets on the gauge block is rolled and then a precipitation heat treatment is carried out and finally punched out the electrode. The precipitation heat treatment is again matched to the cladding material. To make the process even more economical shape, you will advantageously have several at the same time during punching Punch out electrodes.

Folgende Werkstoffe können gemäß der Lehre der Erfindung in besonders günstiger Weise beispielsweise miteinander kombiniert werden: Elektrodenkörper Plattierschicht E-Cu, SE-Cu. CuAg CuCd, CuZr, CuCr, CuCrZr, CuCoBe CuzR CuCr, CuCrZr CuCrZr CuNiP, CuCoBe, CuNiSi Aber auch die zum Beispiel durch unlösliche Metalloxide dispersionsverfestigten Kupferlegierungen können vorteilhafterweise als Plattierwarkstoff verwendet werden.The following materials can according to the teaching of the invention in particular can be advantageously combined with each other, for example: Electrode body Plating layer E-Cu, SE-Cu. CuAg CuCd, CuZr, CuCr, CuCrZr, CuCoBe CuzR CuCr, CuCrZr CuCrZr CuNiP, CuCoBe, CuNiSi But also those caused by insoluble metal oxides, for example Dispersion-strengthened copper alloys can advantageously be used as plating material be used.

Welche Werkstoffkombination man letztlich auswählt, hängt von dem Verwendungszweck ab.Which combination of materials you ultimately choose depends on that Intended use.

Die Erfindung isi- anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Die Figur zeigt einen zeitlichen Schnitt durch eine Elektrodenkappe zur Widerstandsschweißung, die aus einem Elektrodenkörper 1, der zweckmäßigerweise aus SE-Kupfer hergestellt ist und einer auf die Kontaktfläche aufplattierten Schicht 2 a'i. einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung mit o,6 % Chrom und 0,15 % Zirkon Rest Kupfer besteht. Die Dicke der Plattierschicht 2 beträgt vorzugsweise 0,5 bis 3 min.The invention is based on one shown schematically in the figure Exemplary embodiment explained in more detail The figure shows a time section through an electrode cap for resistance welding, which consists of an electrode body 1, which is expediently made of SE copper and one on the contact surface plated layer 2 a'i. a copper-chromium-zirconium alloy with 0.6% chromium and 0.15% zircon, the remainder being copper. The thickness of the clad layer 2 is preferably 0.5 to 3 min.

An der der Plattierschicht 2 abgekehrten Stirnfläche sowie der Wandung 3 erfolgt die direkte Kühlung durch den nicht dargestellten Elektrodenhalter, der wiederum durch Wasser direkt gelciihlt wird.On the end face facing away from the cladding layer 2 and on the wall 3, the direct cooling takes place through the electrode holder, not shown, of the is again cooled directly by water.

Zur Herstellung einer derartigen Elektrode bzw. Elektrodenkappe geht man zweckmäßigerweise wie folgt vor: Ein Blech aus SE-Kupfer mit einer Wanddicke von ca. 80 mm wird mit einem Blech von ca. 5 mm Wanddicke aus einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung wie oben beschrieben, durch Warmwalzen plattiert, mit einer Querschnittsabnahme von ca. 50 %. Der plattierte Block wird darauf bei ca. 1.0000C lösungsgeglüht und i Wasser abgeschreckt. Durch altwalzen mit einerQuerschnittsabnahme von ca. 50 0% wird der plattierte Körper auf das Endmaß heruntergewalzt. Das so hergestellte plattierte Blech wird bei. 48000 ca. 4 Stunden lang geglüht. (Ausscheidungshärtung) Aus dem so behandelten Blech werden die Elektroden bzw. die Elektrodenkappen herausgestanzt und dabei gleichzeitig an ihrer Kontaktfiäche in die gewiinschte Form gebracht. Bildet man den Stanzstempel so aus, daß er aus einem gesondert antreibbaren Innenstempel und einer Stempelführung besteht, kann im selben Arbeitsgang die Wandung 3 des Elektrodenlcijryers 1 durch Riickwärtsfiießpressen in einer Matrize erzeugt werden. An der Plattierschicht 2 des so hergestellten Elektrodenkörpers wurde eine Härte HB 2,5 - 62,5 von 165 gemessen, während der Elektrodenkörper eine Härte von 100 aufwies. Die Warmfestigkeit der Plattierschicht 2 betrug bei 2000C 460 N/mm2 und bei 35000 390 N/mm2, wogegen die entsprechenden Werte des Elektrodenkörpers 280 N/mm² bzw.For the production of such an electrode or electrode cap goes it is advisable to proceed as follows: A sheet of SE copper with a wall thickness of approx. 80 mm is made of a sheet metal with a wall thickness of approx. 5 mm made of a copper-chromium-zirconium alloy as described above, plated by hot rolling, with a decrease in section of approx. 50%. The plated block will be on it at about 1.0000C solution annealed and i quenched water. By old rollers with a cross-section decrease of approx. 50 0% the clad body is rolled down to the final dimension. The one made in this way clad sheet metal is at. 48000 annealed for approx. 4 hours. (Precipitation hardening) The electrodes or the electrode caps are punched out of the sheet metal treated in this way and at the same time brought into the desired shape on their contact surface. If the punch is formed in such a way that it consists of a separately drivable inner punch and a punch guide, the wall 3 of the electrode cijryers can in the same operation 1 can be produced by backward extrusion in a die. On the clad layer 2 of the electrode body produced in this way had a hardness of HB 2.5-62.5 of 165 measured while the electrode body had a hardness of 100. The heat resistance the clad layer 2 was 460 N / mm2 at 2000C and 390 N / mm2 at 35000, whereas the corresponding values of the electrode body 280 N / mm² or

220 N/mm² betrugen.220 N / mm².

In einer Versuchsreihe mit gleichen Schweißparametern wurden drei unterschiedliche Elektroden auf ihr Standzeitverhalten untersucht.In a test series with the same welding parameters were three different electrodes examined for their service life behavior.

Probe 1: Cu-Co-Be 2.000 Schweißungen Probe 2: Cu-Cr-Zr 6.500 Schweißungen Probe 3: Se-Cu + Cu-Cr-Zr in. 500 Schweißungen 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 im Vergleich zur Erfindung negative Abschneiden der relativ hochwarmfesten Materialien Kupfer-Chrom-Zirkon und Kupfer-Kobalt-Beryllium 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 hochwarmfesten Material (Plattierschicht) und aufgrund der relativ geringen Dicke der Plattiertschicht wird diese intensiv gekühlt, so daß ihr Erweichungspunkt nicht überschritten wird. Sample 1: Cu-Co-Be 2,000 welds. Sample 2: Cu-Cr-Zr 6,500 welds Sample 3: Se-Cu + Cu-Cr-Zr in. 500 welds From this table it can be seen that, completely surprisingly, a combination according to the teaching of the invention is essential contributes to increasing the service life. The reason for that compared to the invention negative performance of the relatively highly heat-resistant materials copper-chromium-zirconium and copper-cobalt-beryllium is about to exceed the softening point of these Look for alloys. Due to the poor thermal conductivity of these materials arises a build-up of heat that leads to an increased temperature load leads. Due to the combination of relatively good heat-conducting material and highly heat-resistant Material (clad layer) and due to the relatively small thickness of the clad layer this is intensively cooled so that its softening point is not exceeded.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Electrode for the electrical Resistance welding, which is essentially all copper or a copper alloy high thermal and electrical conductivity, characterized that the entire contact surface of the electrode (1) is a cladding layer (2) made of one Material with a higher heat resistance than the other electrode material carries.

2. Electrode according to. \ Nsprtlch 1, characterized in that the cladding layer (2) consists of a preferably age-hardenable copper alloy.

3. A method for producing an electrode according to claim 1 or 2, characterized in that initially a sheet of copper or a copper alloy high thermal and electrical conductivity with a sheet made of a copper alloy is clad with a higher heat resistance and then the Electrodes, possibly with simultaneous shaping of the finished electrode or electrode cap be punched out.

4. The method according to claim 3, characterized in that a sheet metal made of a material with high thermal and electrical conductivity with a age-hardenable copper alloy roll-clad, on which the clad body in a Temperature is annealed, which causes a solution of the precipitation hardening Alloy components in copper cause the clad body to stick rolled the gauge block and then subjected to precipitation heat treatment and finally the electrode is punched out.