DE3100677C2 - - Google Patents

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 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Ring- oder Längsbuckels, insbe­ sondere eines Buckels an Blechen und dünnwandigen Teilen aus Aluminiumblech.

Es ist bereits ein Buckel zum Schweißen von Aluminium-Blechteilen vorgeschlagen worden (DE-OS 30 24 333), welcher Flanken aufweist, die innen einen Winkel von mindestens 100° und außen einen Winkel einschließen, der größer als der Innenwinkel ist. Die Flanken verlaufen jeweils geradlinig und schließen demnach einen mittleren Winkel ein, der zwischen dem Innen- und dem Außen­ winkel liegt. Der im Mittel von den beiden Flanken ein­ geschlossene Winkel ist also mindestens größer als 100°. Hergestellt wird der Buckel mittels eines Kegelstempels und einer Lochplatte.

Das bekannte Buckelschweißen verzinkter Bleche (Schweißen und Schneiden, 1970, Heft 1, Seiten 21 bis 25) oder von Stahlblechen (DIN-Norm No. 8519 vom Juli 1978) ist bei Dünnblechen aus Nichteisenmetallen wie Aluminium und Aluminiumlegierungen problematisch, weil 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. Bei zu geringer Elektrodenkraft können die Buckel von Aluminium­ blechen leicht verbrennen, bevor eine Schweißung zustandege­ kommen ist, da im Kontaktbereich Buckel/Blech ein zu großer Widerstand vorliegt. Beim Aufbringen der zum einwandfreien Schweißen erforderlichen größeren Elektrodenkraft auf das Werkstück besteht aber die Gefahr, daß der Buckel zusammen­ fällt, bevor der Schweißstrom eingeschaltet wird.

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

Aus diesem Grunde wird in der neueren Literatur (Resistance Welding Manual, Vol. 1, S. 44; Aluminium-Taschenbuch 13, 1974, Seite 581) wiederholt darauf hingewiesen, daß das Buckelschweißen von Aluminium nicht sicher ausführbar ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Buckel zu schaffen, mit welchem Bleche aus Aluminium, Aluminium­ legierungen u. dgl. auch in Massenfertigung sicherer Buckel geschweißt, insbesondere auch Mehrfachbuckel geschweißt werden können, wobei ein Minimum an Energie und eine mög­ lichst geringe Meßbelastung erreicht wird und eine metallur­ gisch einwandfreie Ausführung und Reproduzierbarkeit gewähr­ leistet sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Aufgrund dieser Ausbildung wird den Buckeln eine größere Festigkeit als dem umgebenden Grundmaterial gegeben, wobei der Grad der Festigkeitserhöhung derart ist, daß die Elektroden­ kraft 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 demnach nicht zu dem sonst zu befürchtenden Ver­ spritzen des Buckels ohne Verschweißen mit dem Gegenblech. Die Elektrodenkraft soll andererseits nicht so weit erhöht werden, daß der Übergangswiderstand vom Buckel zum Gegenblech zu stark herabgesetzt wird und es folglich zu einer Aufschmel­ zung von Material nicht nur am Buckel, sondern auch anderen Kontaktwiderstandsstellen, z. B. zwischen den Elektroden und den Blechen kommt. Die Festigkeitserhöhung im Buckelmaterial ist also erfindungsgemäß so groß, daß das Ver­ spritzen des Buckels beim Einschalten des Stroms sicher und in allen Fällen vermieden wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Buckels sind durch die Patentansprüche 2 bis 10 gekennzeichnet.

Ein besonders wirtschaftliches und zur Massenfertigung geeig­ netes Verfahren zum Herstellen eines Ring- oder Längsbuckels der eingangs genannten Gattung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 11 definiert. Durch den Formpreßvorgang kann die Festigkeit im Buckelmaterial 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 Rund­ buckel,

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 Buckelherstel­ lungswerkzeug,

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

Fig. 9 einen Schnitt einer Schweißlinse einer Aluminium­ ringsickenbuckel-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 gleich­ mäßigen elektrischen Übergangswiderstandes einerseits zwischen den Elektrodenflächen 3 und den zu schweißenden Werkstücken 2 und 4 und andererseits zwischen den Werkstücken 2 und 4 not­ wendigen 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 Grund­ material (Blech) 17 formgepreßten Buckels 16 schließen innen einen Winkel α von ca. 60° und außen einen Winkel β von ca. 90° ein.

In Fig. 4 ist eine Ausbildung eines Ring- oder Ringsicken­ buckels 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 ge­ bräuchlichen Ringbuckeln äußerlich vor allem durch die kleinere Verhältniszahl ^d / _b ∼ 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 Festigkeitserhöhung in den Buckelflanken 11, 12, sondern in dieser Form insbesondere auch die gegenüber dem umliegenden Material 10 örtlich unverändert gebliebene zentrale Kreis­ fläche 13 kann einen wesentlichen Anteil der Elektroden­ kraft 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 beginnen­ der 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 Werk­ stücken 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 er­ wiesen. 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. 2 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), sind die 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 Grundmaterials erfolgt mit einem formgebenden Stempel und einer formgebenden Matrize 20 bzw. 21.

Insbesondere können mit den Formwerkzeugen 20, 21 nach Fig. 8 einerseits die Winkel α und β nicht nur eingehalten, sondern überhaupt erst erreicht werden und andererseits kann die ge­ wünschte 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 Schweißung hängt nicht nur von der Buckel­ form allein ab, sondern es spielt auch der zu schweißende Werk­ stoff und der zeitliche Verlauf der Elektrodenkraft und insbe­ sondere der Schweißstrom eine wesentliche Rolle.

Die hohe thermische Leitfähigkeit von Aluminium und dessen Legierungen verlangt, daß die Schweißenergie, d. h. der Schweiß­ strom 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 er­ fordern.

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

In Fig. 5, 6 zeigt 14 den Stromverlauf in der Zeit bzw. . 15 zeigt den Verlauf der Elektrodenkraft in der Zeit t ₀ bis t ₄. Die Stromkurve 14 in Fig. 6 weist gegenüber derjenigen in Fig. 5 eine sogenannte Nachglühphase von auf. Eine solche Nachglühphase kann sich bei gewissen Werk­ stoffen als nützlich oder notwendig erweisen, um die Abkühl- Zeit zu verlängern (bessere Rekristallisation). Eine zusätz­ liche Erhöhung des Schweißdruckes (strichpunktierter Verlauf der Elektrodenkraft 15 in Fig. 5 und 6) am Ende der Schweiß­ phase 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 unter­ schiedlicher Aluminiumlegierungen. Bei keinem der beiden Bleche 23, 24 wurden die Oberflächen 25 von der Oxidschicht befreit. Trotzdem ist die Schweißung völlig homogen, symmetrisch und ohne Einschlüsse.

Ein weiterer zu beachtender Faktor ist die Ausgestaltung der Elektrode, beziehungsweise deren bewegte Masse, von der das sogenannte Nachsetzverhalten abhängt. Die Elektrode muß während der sehr kurzen Schweißzeit verzögerungsfrei dem schmelzenden Buckel folgen können, um das Wegspritzen von flüssigem Werkstoff 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 gleich­ stromartigen 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.

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

Produktionssteigerung um ein Vielfaches, weil gleichzeitig mehrere Buckel geschweißt werden können, ohne daß Neben­ schlüssen entstehen und unwirtschaftlich hohe Schweißströme notwendig sind, folglich:
gleichmäßige mechanische Festigkeit der Verbindungen;
kleine Änderung der Festigkeit bei Stromschwankungen;
zusätzliche Produktionssteigerung, da geringe, vernachlässig­ bare 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 vor­ gängig angebrachte Buckel;
keine Reinigung der oxidierten Blechoberflächen durch Beizen, Bürsten etc. vor dem Schweißen.

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

Claims (11)

1. Durch 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 Übergangswider­ stände an den Elektroden auf einen das Verspritzen des Buckels vermeidenden Wert reduzierenden Elektrodenauf­ lagekraft der Buckel vor dem Einschalten des Schweiß­ stromes im wesentlichen nicht verformt wird.

2. Buckel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flanken (11, 12; 18, 19) im wesentlichen gradlinig aufeinander zu verlaufen.

3. Buckel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flanken (11, 12; 18, 19) des Buckels (7, 16) innen einen Winkel (α) von 45 bis 75° und außen einen Winkel (β) 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) ring­ förmig 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 gekennzeichnet, daß die zentrale Kreisfläche (13) des Buckels die Ebene des benachbarten Grundmaterials etwas überragt.

8. Buckel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Buckel (16) linienförmig ausgebildet ist.

9. Buckel nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Winkel (α) 60° und der äußere Winkel (β) 90° beträgt.

10. Buckel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, 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.