DE3100677A1

DE3100677A1 - Buckel zum elektrischen widerstandsschweissen von aluminiumblechen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3100677A1
Application number: DE19813100677
Authority: DE
Inventors: Jürg 8967 Widen Opprecht; Paul 8962 Bergdietikon Opprecht
Original assignee: Opprecht Paul 8962 Bergdietikon Aargau
Current assignee: Elpatronic AG
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1981-01-12
Publication date: 1981-11-26
Also published as: IT8147694A1; IT8147694A0; IT1170681B; FR2475442B1; DE3100677C2; AT379535B; GB2068814B; ATA25581A; GB2068814A; FR2475442A1

Description

Die Erfindung betrifft einen durch eine Vertiefung auf der einen und einen Vorsprung auf der anderen Seite gebildeten Buckel zum elektrischen Widerstandsschweißen von Aluminiumblechen. Unter Aluminium sind dabei für den jeweiligen Benutzungszweck geeignete Aluminiumlegierungen zu verstehen.

Bei der Massenteilefertigung durch Widerstandsschweißen von Eisenblechen ist das Buckelschweißen eines der meistbenützten Schweißverfahren für qualitativ anspruchsvolle Verbindungen. Im Gegensatz zum Punktschweißen wird beim Buckelschweißen die Ausdehnung der Schweißverbindung nicht durch die Elektrodenquerschnittsfläche bestimmt sondern durch die Buckelquerschnittsfläche. Einerseits sind dadurch die Schweißfläche und damit der Stromweg, die Stromdichte und die Flächenpressung genau definiert und konstant und andererseits besteht auch die Möglichkeit, eine Vielzahl von Buckeln gleichzeitig und unter exakt den gleichen Bedingungen zu schweißen und Nebenschlüsse zu vermieden.

Bei Dünnblechen aus Nichteisenmetallen, insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen läßt sich das bekannte Buckelschweißen nicht sicher ausführen. Dies rührt daher, daß Aluminium im Gegensatz zu Eisen, dem Schweißstrom einen weit geringeren elektrischen Widerstand entgegensetzt und gleichzeitig die durch den Strom erzeugte Wärme bedeutend besser leitet und folglich von der zu schweißenden Stelle wegführt.

Erschwerend kommt hinzu, daß bei zu geringer Elektrodenkraft die Buckel verbrennen können, bevor eine Schweißung zustande gekommen ist, weil im Kontaktbereich Buckel/Blech ein zu großer Widerstand vorliegt. Beim Aufbringen der zum einwandfreien Schweißen erforderlichen größeren Elektrodenkraft auf das

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Werkstück besteht nun die Gefahr, daß der Buckel zusammenfällt, bevor der Schweißstrom eingeschaltet wird.

Es wurden deshalb schon Vorkehrungen getroffen, die Elektrode äußerst sanft auf das Werkstück aufzusetzen und über ein einstellbares Zeitschaltwerk die volle Elektrodenkraft erst unmittelbar vor dem Eintreffen des Schweißstromes einsetzen zu lassen. Aber auch auf derartigen Maschinen mit Programmsteuerung für die gegenseitige zeitliche Abstimmung von Strom- und Druckverlauf ließen sich bisher keine zufriedenstellenden, reproduzierbarenBuckelschweißungen bei der Massenteilefertigung durchführen.

Dementsprechend wird in der einschlägigen neueren Literatur (z.B. "Restiance Welding Manual", Vol. 1, S. 44; Aluminium-Taschenbuch 13, Aufl. 1974, S. 581) wiederholt darauf hingewiesen, daß das Buckelschweißen von Aluminium nicht sicher ausführbar sei. Es ist zwar schon erwähnt worden (Pfeifer, "Fachkunde des Widerstandsschweißens", S. 44), daß das Buckelschweißen von Leichtmetallen mit geeigneten Maschinen möglich sei. Wie derartige Maschinen aussehen sollen, wird jedoch nicht offenbart.

Es ist auch schon bekannt, massive Aluminiumteile mit geprägtem, d.h. einseitig vom Material vorspringendem Buckel zu versehen und zu verschweißen. Geprägte Buckel können aber nur in massiven Teilen, z.B. Stielansätzen von Pfannen vorgesehen werden. An Blechen oder anderen dünnwandigen Teilen lassen sie sich mit vertretbarem Aufwand nicht herstellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Buckel zu schaffen, mit welchem Bleche aus Aluminium, A] vminiuinlegiermgen und dergleichen auch in Massenfertigung sicher buckelgeschweißt, insbesondere auch mehrfachbuckelgeschweißt werden können. Außerdem soll ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Buckels

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geschaffen werden, das sich für die Massenteilefertigung eignet. Die dünnwandigen Bleche aus Aluminium und Aluminiumlegierungen sollen mit einem Minimum an Energie bzw. mit möglichst geringer Netzbelastung geschweißt werden können. Weiter soll die Herstellung von BuckelSchweißverbindungen von Aluminiumblechen mit metallurgisch einwandfreier Ausbildung und Reproduzierbarkeit gewährleistet sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Der Erfindungsgedanke ist demnach darin zu sehen, daß den Buckeln eine größere Festigkeit als dem umgebenden Grundmaterial gegeben wird, wobei der Grad der Festigkeitserhöhung so ist, daß die Elektrodenkraft vor dem Einschalten des Schweißstromes ohne weiteres so erhöht werden kann, daß ohne die Gefahr eines Zusammenbrechens oder einer Rückbildung des Buckels die Übergangswiderstände stark reduziert werden. Beim Einschalten des Schweißstromes kommt es so nicht zu dem sonst zu befürchtenden Verspritzen des Buckels ohne Verschweissung mit dem Gegenblech. Andererseits soll die Elektrodenkraft nicht so erhöht werden, daß der übergangswiderstand vom Buckel zum Gegenblech zu stark herabgesetzt wird und es folglich zu einer Aufschmelzung von Material nicht nur am Buckel, sondern auch an anderen Kontaktwiderstandsstellen, z.B. zwischen den Elektroden und den Elechen kommt. Die Festigkeitserhöhung im Buckelmaterial braucht also lediglich so groß zu sein, daß das Verspritzen des Buckels beim Einschalten des Stromes sicher und in allen Fällen vermieden wird.

Für die Zwecke der Erfindung besonders vorteilhafte Buckelausbildungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10.

Anspruch 11 kennzeichnet ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Verfestigung des Blechmaterials im Bereich der Buckel. Durch den Formpreßvorgang kann die Festigkeit im Buckel-

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material um den erforderlichen Prozentsatz auf äußerst wirtschaftliche Weise heraufgesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen geprägten Buckel gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen konventionellen Rundbuckel,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Längsbuckel,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Ringsickenbuckel gemäß der Erfindung, die

Fig. 5, 6 Diagramme des Strom-/Kraftverlaufes,

Fig. 7 einen Schnitt durch ein herkömmliches Buckelherstellungswerkzeug,

Fig. 8 einen Schnitt durch ein Buckelherstellungswerkzeug für einen Buckel nach den Fig. 3 oder 4 und

Fig. 9 einen Schnitt einer Schweißlinse einer Aluminiumringsickenbuckel-Schweißung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen bekannten massiv geprägten Buckel wie er an massiven Leichtmetall-Werkstücken 2 durch Umformen, z.B. durch Prägen oder durch Auftrag erzeugt werden kann. Solche Buckel 1 widerstehen der zur Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen elektrischen Übergangswiderstandes einerseits zwischen

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den Elektrodenflächen 3 und den zu schweißenden Werkstücken 2 und 4 und andererseits zwischen den Werkstücken 2 und 4 notwendigen Elektrodenkraft.

Fig. 2 zeigt einen anderen herkömmlichen, hohl geprägten Rundbuckel 5 wie er bei Eisenblech allgemein angewendet wird. Bei Leichtmetallen fällt der Buckel 5 aber in sich zusammen, bevor der Schweißstrom eingeschaltet werden kann und es kommt keine brauchbare Schweißverbindung zustande.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Längsbuckel 16 für Aluminium und Aluminiumlegierungen, der zum Verschweißen von schmalen Flanschen, bei welchen für einen Ringbuckel zu wenig Platz zur Verfügung steht, Anwendung findet. Die beiden Flanken 18, 19 haben durch die große plastische Umformung des Grundmaterials 17 in den Werkzeugen eine um ca. 50 % höhere Festigkeit als das Grundmaterial 17 erhalten. Die Flanken 18, 19 des keilförmigen, aus dem Grundmaterial (Blech) 17 formgepreßten Buckels 16 schließen innen einen Winkel o\ von ca. 60 und außen einen Winkel 0 von ca. 90° ein.

In Fig. 4 ist eine Ausbildung eines Ring- oder Ringsickenbuckels 7 dargestellt, wie er sich als besonders vorteilhaft zum Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen erwiesen hat. Der Buckel 7 unterscheidet sich von den bei Stahl gebräuchlichen Ringbuckeln äußerlich vor allem durch die kleinere Verhältniszahl τ- /-w 1,5 bis 3, die hier, falls erwünscht, eine vollkommen durchgeschweißte Linse gemäß Fig. 9 ergibt.

In den Bereichen 11 und 12 der Flanken wird auch in dieser Buckelform durch die Umformung eine Erhöhung der Festigkeit des Grundmaterials um ca. 50 % erreicht. Nicht allein die

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Festigkeitserhöhung in den Buckelflanken 11, 12, sondern in dieser Form insbesondere auch die gegenüber dem umliegenden Material 10 örtlich unverändert gebliebene zentrale Kreisfläche 13 kann einen wesentlichen Anteil der Elektrodenkraft auf die innere Flanke 12 des Buckels übertragen. Die gesamte Elektrodenkraft verteilt sich im Buckel 7 folglich gleichmäßig über beide Flanken 11, 12. Die Kraftlinien im Buckel 7, 16 verlaufen annähernd parallel und sind zum Lot durch die Schweißebene nur geringfügig geneigt. Mit beginnender Zerquetschung des Buckels 7, 16 unter der Wirkung der Elektrodenkraft F und der Erwärmung durch den Schweißstrom I verringert sich die Neigung der Kraftlinien zusehends. Der Betrag der spezifischen Flächenpressung zwischen den Werkstücken bleibt im wesentlichen erhalten.

Der Durchmesser d des Buckels 7 kann nicht beliebig groß gemacht werden, da der Schweißstrombedarf ca. im Quadrat zum Durchmesser d zunimmt. Für eine Blechstärke = 1,05 mm hat sich ein Durchmesser d = 3 mm und eine Buckelhöhe h = 0,7 mm z.B. bei dem Werkstoff AlMg 0,4 Si 1,2 als vorteilhaft erwiesen. Ein Vergleich mit einem Rundbuckel mit einer Höhe h von 1,1 mm und gleichem Durchmesser d zeigte, daß bei einer Belastung mit der Kraft F = 200 daN beim Buckel nach Fig. eine bleibende Verformung von nur 8 % von h auftritt, beim Rundbuckel hingegen eine solche von 54 % von h.

Im Gegensatz zu der bekannten Herstellungsweise der Buckel bei Eisenwerkstoffen, bei welchen diese frei fließgeformt werden (Fig. 7), sinddie Buckel nach der Erfindung formgepreßt (Fig. 8) Die geometrische Form der Buckel, insbesondere der Flanken 11, 12; 18, 19 ist damit bei allen Buckeln an einem Werkstück identisch. Die plastische Umformung des Grundmaterial erfolgt mit einem formgebenden Stempel und einer formgebenden Matrize 20 bzw. 21.

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Insbesondere können mit den Formwerkzeugen 20, 21 nach Fig. einerseits die Winkeln und P nicht nur eingehalten, sondern überhaupt erst erreicht werden und andererseits kann die gewünschte Umformung und folglich Verfestigung des Materials
in den Flanken 11, 12; 18, 19 bewirkt werden. Von Bedeutung
ist, daß beim Ringbuckel die zentrale Kreisfläche 13 mindestens das Niveau wie die unverändert gebliebene Oberfläche des
Bleches neben dem Buckel aufweist.

Eine qualitativ gute Schweißüng hängt nicht nur von der Buckelform allein ab, sondern es spielt auch der zu schweißende Werkstoff und der zeitliche Verlauf der Elektrodenkraft und insbesondere der Schweißstrom eine wesentliche Rolle.

Die hohe thermische Leitfähigkeit von Aluminium und dessen
Legierungen verlangt, daß die Schweißenergie, d.h. der Schweißstrom in sehr kurzer Zeit eingebracht wird. Zusätzlich kommt hinzu, daß die Aluminiumwerkstoffe aus den genannten Gründen (hohe elektrische Leitfähigkeit, geringer innerer elektrischer Widerstand) bekanntlich größere Ströme als Eisenwerkstoffe erfordern.

Mit der beschriebenen Ausbildung der Buckel in der Gestalt
gemäß Fig. 3, 4 zusammen mit einem Schweißstrom-/ Elektrodenkraftverlauf nach Fig. 6 lassen sich in überraschender Weise qualitativ hochstehende beliebig reproduzierbare Schweißverbindungen gemäß Schliff in Fig. 9 erzeugen.

In Fig. 5, 6 zeigt 14 den Stromverlauf in der Zeit t.. t~
bzw. ~£7~Έζ. 15 zeigt den Verlauf der Elektrodenkraft in der
Zeit t_Q bis t.. Die Stromkurve 14 in Fig. 6 weist gegenüber

derjenigen in Fig. 5 eine sogenannte Nachglühphase von t~ t_ auf. Eine solche Nachglühphase kann sich bei gewissen Werkstoffen als nützlich oder notwendig erweisen, um die Abkühl-

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Zfeit zu verlängern (bessere Rekristallisation). Eine zusätzliche Erhöhung des Schweißdruckes (strichpunktierter Verlauf der Elektrodenkraft 15 in Fig. 5 und 6) am Ende der Schweißphase trägt zu einer Verhinderung von Lunker- und Rißbildung in der Schweißlinse bei.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer Schweißlinse 22 einer Ringbuckelschweißung zwischen zwei Blechen 23, 24 unterschiedlicher Aluminiumlegierungen. Bei keinem der beiden Bleche 23, 24 wurden die Oberflächen 25von der Oxidschicht befreit. Trotzdem ist die Schweißung völlig homogen, symmetrisch und ohne Einschlüsse.

Ein weiterer zu beachtender Faktor ist die Ausqestaltunq der Elektrode, beziehungsweise deren bewegte Masse, von der das sogenannte Nachsetzverhalten abhängt. Die Elektrode muß während der sehr kurzen Schweißzeit t- t~ verzögerungsfrei dem schmelzenden Buckel folgen können, um das Wegspritzen von flüssigem Werkfetoff zu vermeiden.

Die Elektroden sind vorzugsweise großflächig ausgebildet, so daß zwischen dem Werkstück und der Elektrode eine geringe Stromdichte auftritt und dadurch die Elektrode einem äußerst geringen Verschleiß ausgesetzt ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Frequenzwandler-Schweißmaschine zur Durchführung der Schweißung. Durch die Anwendung einer gleichstromartigen Einimpulsschweißung kann die Schweißenergie in kürzest möglicher Zeit ins Werkstück eingebracht werden.

Bei gleichzeitigem Schweißen einer Mehrzahl von Buckeln werden die Elektroden mit Vorteil beweglich und gefedert gelagert, damit jeder einzelne Buckel unter genau den gleichen Bedingungen von der Elektrodenkraft bzw. dem Schweißstrom beaufschlagt wird.

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Gegenüber der Punktschweißung weist die erfindungsgemäße Schweißverbindung eine Vielzahl von Vorteilen auf:

Produktionssteigerung um ein Vielfaches _i weil gleichzeitig mehrere Buckel geschweißt werden können, ohne daß Nebenschlüssen entstehen und unwirtschaftlich hohe Schweißströme notwendig sind, folglich:

gleichmäßige mechanische Festigkeit der Verbindungen; kleine Änderung der Festigkeit bei Stromschwankungen;

zusätzliche Produktionsstexgerung, da geringe, vernachlässigbare Elektrodenverschmutzung und Abnützung dank geringer Stromdichte an den Kontaktstellen;

konstant gleiche Schweißqualität, dank Wegfall von Auflegierungen an den Elektroden;

richtige Lage der Schweißverbindung am Werkstück durch vorgängig angebrachte Buckel;

keine Reinigung der oxidierten Blechoberflächen durch Beizen, Bürsten etc. vor dem Schweißen.

Es ist noch wichtig zu erwähnen, daß bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen die Oberflächen der Bleche aus Aluminium und Aluminiumlegierungen vor dem Schweißen keiner Burst- oder Schleifbehandlung unterworfen werden müssen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

[1. JDurch eine Vertiefung auf der einen und einen Vorsprung auf der anderen Seite gebildeter Buckel zum elektrischen Widerstandsschweißen von Aluminiumblechen, dadurch gekennzeichnet , daß die Flanken (11, 12; 18, 19) des Buckels (7, 16) im Mittel einen Winkel von 50 bis 90° miteinander einschließen und die Festigkeit des Werkstoffes im Bereich der Flanken um einen solchen Betrag über der Festigkeit benachbarten Grundmaterials (10, 17) liegt, daß bei mit einer die Ubergangswiderstände an den Elektroden auf einen das Verspritzen des Buckels vermeidenden Wert reduzierenden Elektrodenauflagekraft der Buckel vor dem Einschalten des Schweiß-

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MANITZ FINSTERWALD HEYN MOROAN «000 MÖNCHEN 22 ROBEm-KOCH-STRASSE I TEL (06S) »4211 TELEX 05-29672 PATMF

stromes im wesentlichen nicht verformt wird.
2. Buckel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (11, 12; 18, 19) im wesentlichen gradlinig aufeinander zu verlaufen.
3. Buckel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Flanken (11, 12; 18, 19) des Buckels (7, 16) innen einen Winkel ( oC ) von 45 bis

75° und außen einen Winkel ( $ ) von 60 bis 100° mit-

einander einschließen.
4. Buckel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Festigkeit des Werkstoffes im Bereich der Flanken um ca. 50 % über der Festigkeit des benachbarten Grundmaterials (10, 17) liegt.
5. Buckel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Buckel (7) ringförmig ausgebildet ist.
6. Buckel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die zentrale Kreisfläche (13) des Buckels (7) in der gleichen Ebene wie das benachbarte Grundmaterial liegt.
7. Buckel nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet , daß die zentrale Kreisfläche (13) des Buckels die Ebene des benachbarten Grundmaterials etwas überragt.
8. Buckel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Buckel (16) linienförmig ausgebildet ist.

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9. Buckel nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch

gekennzeichnet , daß der innere Winkel (Λ) 60° und der äußere Winkel ( β ) 90° beträgt.
10. Buckel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des mittleren Ringdurchmessers (d) zur Flanschbreite (b) kleiner als drei ist.
11. Verfahren zum Herstellen eines Ring- oder Längsbuckels, insbesondere eines Buckels an Blechen und dünnwandigen Teilen aus Aluminiumblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Blech bzw. Teil zwischen einem Stempel (20) und einer Matrize (21) formgepreßt wird.

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