-
-
Elektrode bzw. Elektrodenkappe für die elektrische
-
Widerstandsschweißung Die Erfindung betrifft eine Elektrode bzw Elektrodenkappe
für die elektrische Widerstandsschwe ßung, die insgesamt oder in wesentlichen Teilen
aus einer niedriglegierten aushiirtbaren Kupferlegierung hergestellt ist Es sind
Elektroden für die elektrische Widerstandsschweißung bekannt geworden, die aus einer
aushärtbaren Kupferlegierung hergestellt sind, beispielsweise aus einer Kupfer-Kobalt-Beryllium-1egierungO
Obwohl dieser Werkstoff eine relativ hohe Brinellhärte in der Größenordnung von
180 aufweist, konnte sich dieser Werkstoff als Elektrodenmaterial nicht durchsetzen,
da infolge seiner relativ niedrigen Leitfähigkeit von weniger als 45 % der des reinen
Kupfers die Erweichungstemperatur infolge einer Erwärmung der Elektrode durch Stromdurchgang
bzw.
-
aufgrund einer verminderten Ableitung der Wärme aus dem zu verschweißenden
Material überschritten wurde und die Elektrode den mechanischen Beanspruchungen
beim Schweißvorgang nicht mehr gewachsen war. (D 637 547) Aus
diesem
Grunde haben sich seit längerer Zeit Elektroden aus einer Kupfer-Chrom-bzw. Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung
auf dem Markt durchgesetzt, die im ausgehärteten Zustand eine nur unwesentlich niedrigere
Warmhärte dafür aber eine wesentlich höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit
in der Größenordnung von 90 % der des reinen Kupfers aufweist.
-
Die Elektroden dienen dazu, sowohl den für die Verschweissung notwendigen
Strom als auch den Druck aufzubringen.
-
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
zu verschweißenden Gut sehr stark erwärmen.
-
Infolge wiederholter Schweißvorgänge wird die Kontaktfläche der Elektrode
zunehmend pilzartig deformiert. Um eine einwandfreie Schweißung zu erhalten, ist
es deshalb erforderlich, daß man die Elektroden nach einer gewissen Anzahl von Schweißungen
einer Nachbearbeitung an der Kontaktfläche unterzieht oder diese gegen eine neue
Elektrode austauscht. 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 ausgeprisen
Reduzierung der Leitfähigkeit und damit zu einer erhöhten thermischen Belastung
der Elektrode.
-
Da aufgrund der mechanischen Beanspruchung während des Schweißprozesses
eine bestimmte Materialstärke der Elektrode nicht unterschritten werden kann und
andererseits der Kühlerwasserzulauf wegen der beengten Raumverhältnisse nicht ohne
weiteres gesteigert werden kann, ist eine Ver-
besserung der Kühlung
nur durch Einsatz eines Werkstoffes mit erhöhter elektrischer bzw. thermischer Leitfähigkeit
möglich.
-
Aus diesem Grunde ist bereits eine Widerstandsschweißelektrode vorgeschlagen
worden, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hoher Leitfähigkeit besteht, bei
der ein Teil der Kontaktfläche aus einem Material hoher Leitfähigkeit und der übrige
Teil aus zumindestens einem Material hoher Warmfestigkeit 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 die mechanischen Druckkräfte aufnimmt, während das Kupfer oder die Kupferlegierung
hoher Leitfähigkeit zur Wärmeabfuhr sowohl aus der Kontaktfläche als auch aus dem
Butzen heraus herangezogen wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine homogene Elektrode
für die elektrische Widerstandsschweißung zu finden, deren Standzeit wesentlich
höher liegt als die der bisher verwendeten Elektroden und die wirtschaftlicher herstellbar
ist.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der eingangs erwähnten Art
dadurch gelöst, daß die Kupferlegierung im überalterten Zustand vorliegt. Es hat
sich gezeigt, daß die Elektrode gemäß der Lehre der Erfindung gegenüber einer bekannten
Elektrode, bei der die gleiche Kupferlegierung im normal ausgehärtetem Zustand vorlag,
eine Erhöhung der Standzeit von über 100 % erbrachte. Dieser Effekt ist insofern
ungewöhnlich, da im überalterten Zustand die Warmfestigkeit bzw. die Härte HB aushärtbarer
niedriglegierter Kupferlegierungen bei einem Anstieg der Leitfähigkeit abnimmt.
Es wurde nun gefunden, daß trotz eines Abfalls der Warmfestigkeit ein besseres Standzeitverhalten
der
Elektrode erkennbar war. Diese Erscheinung ist in der besseren elektrischen und
thermischen Leitfähigkeit des Elektrodenwerkstoffs begründet. Aus Fertigungsgründen
wird man den gesamten Elektrodenkörper bzw.
-
die Elektrodenkappe aus der Kupferlegierung im überalterten Zustand
herstellen. Es ist aber auch möglich, lediglich die Konaktfläche der Elektrode mat
dem Werkstoff nach der Lehre der Erfindung zu plattieren. Für diesen Anwendungszweck
sollte das Elektrodenmaterial, auf welches der überalterte Werkstoff aufplattiert
ist, eine höhere Leitfähigkeit aufweisen. Mit besonderem Vorteil ist die Elektrode
aus einer hochwarmfesten hochleitfähigen Kupferlegierung vorzugsweise aus CuCr,
CuZr oder CuCrZr hergestellt. Diese Werkstoffe zeigen im normal ausgehärteten Zustand
eine Leitfähigkeit von ca. 85 , IACS, welche im überalterten Zustand auf bis zu
94 % IACS angehoben werden kann. In einer besonders günstigen Ausführungsform der
Erfindung besteht die Elektrode aus einer Kupferlegierung mit 0,3 bis 1,5 %, vorzugsweise
0,5 bis 0,8 % Chrom, 0,1 bis 0,5 %, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 % Zirkon ggf. bis
zu 0,04 % eines Desoxidationsmittels, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
Als Desoxidationsmittel soRten dabei solche verwendet werden, die bekanntermaßen
die Leitfähigkeit nicht wesentlich herabsetzen, wie beispielsweise Bor und Lithium.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer
Elektrode, bei der man zweckmäßigerweise bei oder nach der Warmformgebung der Werkstoff
auf über 9000C erwärmt (Lösungsglühung), darauf abschreckt und abschließend die
Warmaushärtung durchführt, wobei der überalterte Zustandsurch eine Warmaushärtung
erzeugt wird, welche gegenüber der übliche eine Maximalhärte bewirkenden Warmaushärtung
bei höheren Temperaturen und/
oder längeren Glühzeitendurchge£tiltwrd.
Dabei sollte die Warmaushärtung bei einer Temperatur von 500 bis 60000 und einer
Glühdauer von 20 bis 1 Stunde durchgeführt werden.
-
Diese Werte beziehen sich selbstredend nur auf die besonders hervorgehobenen
Legierungen CuCr, CuZr und CuCrZr bzw. sich ähnlich verhaltende Legierungen.
-
Vor der Warmaushärtung sollte der Werkstoff kalt umgeformt werden.
Dadurch wird die Leitfähigkeit erhöht. Den selben Effekt erzielt man, wenn der Werkstoff
nach der Warmaushärtung kalt umgeformt wird. Zweckmäßigerweise wird dieser Kaltumformvorgang
mit dem Formgebungsvorgang für die Elektrode kombiniert.
-
Die Elektroden gemäß der Lehre der Erfindunglassen sich mit besonderem
Vorteil verwenden bei der Widerstandsschweißung von Werkstücken mit einer elektrischen
Leitfähigkeit zwischen 30 und 45 m/ohm mm² insbesondere Aluminium. Während Elektroden
aus der relativ hochleitfähigen Legierung CuCrZr beim Verschweißen von Aluminium
schon nach 800 bis 1.000 Schweißungen verworfen werden mußten, konnten mit einer
Widerstandsschweißelektrode gemäß der Lehre der Erfindung mehr als 3.000 Schweißungen
durchgeführt werden, ohne daß ein wesentlicher Verschleiß erkennbar war.
-
Die Erfindung ist anhand des in der Figur schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Die Figur zeigt einen seitlichen Schnitt durch eine Elektrodenkappe
zur Widerstandsschweißung, die aus einem Elektrodenkärper 1 mit einer Bohrung 2
zur Befestigung an einem nicht dargestellten Elektrodenhalter, der durch Wasser
direkt gekühlt wird. Der Elektrodenkörper 1 besteht aus einer Kupferlegierung mit
0,7 % Chrom und 0,18 % Zirkon, 0,015 % Bor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen,
die
im ausgehärteten überalterten Zustand vorliegt.
-
Es wurde zunächst ein auf ca. 1.00000 erwärmter Block aus der genannten
Legierung mittels einer Strangpresse zu einem Strang direkt in Wasser verpreßt.
Durch das Verpressen direkt in Wasser wird die Legierung abgeschreckt.
-
Der Strang wird sodann kalt annähernd auf das Endmaß der herzustellenden
Elektrode gezogen. Darauf wurde der Strang bei 55000 5 Stunden geglüht. Im Anschluß
daran wurde durch einen Kaltstauchvorgang die Elektrode in der in der Figur dargestellten
Form hergestellt. In gleicher Weise wurde eine weitere Elektrodenkappe 1 hergestellt,
lediglich mit dem Unterschied, daß die Glühung bei 48000 und 4 Stunden Dauer durchgeführt
wurde, welche Werte eine optimale Aushärtung im Hinblick auf die Härtezunahme bei
dieser Legierung bewirken.
-
Beide Elektrodenkappen wurden hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften
untersucht und anschließend in eine Widerstandsschweißanlage, in welcher Aluminiumbleche
verschweißt wurden, eingebaut.
-
Eigenschaft Wärmebehandlung Wärmebehandlung bei 48000, 4 Std. bei
550001 5 Std.
-
Thermische und elektrische Leitfähig- 80 % 92 % keit (in % der des
reinen Kupfers) Erweichungstemperatur (10 % Abfal1 der Festig- 0 keit bei Raumtemperatur
510 c 54500 nach einer Stunde Glühdauer) Härte HB 2,5 - 62,5 i40 125 Zugfestigkeit
435 N/mm2 395 N/mm2 Warmfestigkeit bei 200°C 400 N/mm² 365 N/mm² Warmfestigkeit
bei 350°C 320 N/mm² 293 N/mm² Anzahl der Punktschweis- 9+O 4.800 sungen @@@@@@@@@@@@
Obwohl,
wie die Tabelle zeigt, die mechanischen Werte bei der Elektrodenkappe gemäß der
Lehre der Erfindung niedriger lagen als bei einer Elektrode nach dem Stand der Technik,
hat sich völlig überraschend eine höhere Standzeit für die Elektrode nach der Lehre
der Erfindung ergeben.
-
Der Grund für dieses positive Abschneiden ist in der Erhöhung der
thermischen und elektrischen Leitfäbgkeit und dem Verhalten des Werkstoffes im überalterten
Zustand zu suchen. Durch die erhöhte thermische und elektrische Leitfähigkeit wird
die Kontaktfläche wesentlich intensiver gekühlt, so daß der Erweichungspunkt der
Legierung in diesem Bereich nicht überschritten wird.
-
Leerseite