DE3806309C1 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbindungsschweißen, ins­ besondere Widerstandsschweißen, von Kleinbauteilen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Durch die DE-AS 17 52 679 ist ein solches Ver­ fahren bekannt geworden, bei dem den Klein- bzw. Kleinstbauteilen eine Vielzahl von elektrischen Leitern oder eine Scheibe aus sprö­ dem Material zugeordnet sind. Die Unterlage und die Leiter werden zusammengebracht, mittels eines Übertragungsglieds zusammengepreßt und im Zusammenwirken mit dem übertragenen Druck mittels Thermo­ kompression oder Ultraschall zusammengeschweißt. Die Druckübertra­ gung erfolgt mittels eines verformbaren, vom Übertragungsglied be­ aufschlagten, unmittelbar und gleichzeitig auf sämtliche Leiter bzw. die gesamte zugeordnete Fläche der Scheibe einwirkenden Übertra­ gungsstoffes. Damit soll ein Verbindungsverfahren geschaffen werden, welches das Verhältnis der erzielten guten Verbindungen bei tole­ ranzbehafteter Dicke der Bauteile erhöht, und das auch benutzt wer­ den kann, um gleichzeitig mehrere Verbindungen herzustellen. Die Leiter unterliegen beim Anbringen auf der Unterlage einer Verfor­ mung, deren Größe von den verwendeten Materialien, der zugeführten, mechanischen Energie, der geometrischen Form der Stücke und der Wärmezufuhr anhängt. In der Anfangsphase des Schweißvorgangs ist der Druck an der Grenzfläche Übertragungsstoff - Leiter wegen der viel kleineren Kontaktfläche um ein Vielfaches höher als der Druck an der Grenzfläche Übertragungsglied - Übertragungsstoff. Wenn sich der Übertragungsstoff um die Leiter herum verformt hat und die Unterlage berührt, vergrößert sich die Kontaktfläche bei abnehmendem Druck, bis sie der Größe der Grenzfläche Übertragungsglied - Übertragungsstoff entspricht, d.h. der Druck fällt ab und die Verformung hört auf. Bei Anwendung des Verfahrens zum Verschweißen von Scheiben, die aus ei­ nem harten, nicht verformbaren Material, beispielsweise aus metal­ lisertem Silicium besteht, tritt zwischen den beiden Grenzflächen Übertragungsstoff - Scheibe und Scheibe - Ünterlage keine Druckdif­ ferenz auf, da die Grenzflächen gleiche Größe haben.

Durch die DE-PS 20 49 277 ist ferner eine Einrichtung zum Fest­ schweißen von kugelförmigen Kontaktmetallrohlingen an Kontaktteilen mittels elektrischer Widerstandsschweißung bekannt, bei welcher eine Elektrode an ihrem Kopfende mit einer kalottenförmigen Ausnehmung versehen ist, welche zur Aufnahme des kugelförmigen Kontaktmetall­ rohlings dient. Druck und Wärme werden bei dieser Einrichtung von der Elektrode direkt auf die anzuschweißende Kugel übertragen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich die drucküber­ tragende Berührungs- oder Grenzfläche zwischen dem als Formkörper wirkenden Bauteil und dem Übertragungsstoff durch Verformung des letzteren drastisch erhöht, während die Grenzfläche zwischen den Bauteilen, an welcher die Verschweißung stattfindet, vergleichsweise klein ist und auch unter Druck und Wärmeeinwirkung vorzugsweise deutlich kleiner bleibt als die druckübertragende Berührungsfläche zwischen dem verformten Übertragungsstoff und dem als Formkörper wirkenden Bauteil. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise aus mehreren Einzelteilen bestehende Bauelemente, beispielsweise Kugel­ ventilkörper, herzustellen, ohne daß beim Schweißvorgang die ur­ sprüngliche Form und Materialstruktur des als Formkörper wirkenden, freiliegenden Teils der Kugel verändert wird. Der zum Schweißen er­ forderliche Druck wird durch den verformten Übertragungsstoff groß­ flächig und ohne partielle Druckstellen auf den Formkörper übertra­ gen, so daß die Druckbelastung des Körpers pro Flächeneinheit rela­ tiv klein bleibt. Gleichzeitig konzentriert sich der Druck auf die vergleichsweise kleine Grenzfläche zwischen den Bauteilen und sorgt dafür, daß die beiden Teile in diesem Bereich sehr fest aneinander gepreßt werden. Bei dem bevorzugt angesprochenen Widerstandsschwei­ ßen erfolgt über den verformten Übertragungsstoff eine großflächige Stromübertragung mit kleinem Übergangswiderstand bei vergleichsweise geringer und gleichmäßiger Erwärmung des vom Übertragungsstoff be­ deckten, freiliegenden Teils der Kugel. Im Bereich der Schweißstelle wird der Strom hingegen auf eine kleine Fläche mit großem Übergangs­ widerstand konzentriert, so daß sich die Materialien an dieser Stel­ le rasch erhitzen und in die zum Verschweißen erforderliche pla­ stische bzw. schmelzflüssige Phase übergehen. Der im Bereich der Schweißzone herrschende hohe Flächendruck trägt zur Beschleunigung dieses Vorgangs bei.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Bevorzugt wird als Übertragungsstoff ein Werkstoff insbesondere ein metallischer blanker Werkstoff, ver­ wendet, welcher sich unter Druckeinwirkung plastisch verformt. Be­ sonders bewährt hat sich hierfür eine Kupferfolie, weil diese leicht verformbar und thermisch hoch belastbar ist. Um eine Verformung der Folie unter Druckeinwirkung zu ermöglichen, kann das Übertragungs­ glied einen Hohlraum aufweisen, in den die Folie durch den als Form­ teil wirkenden Bauteil hineingepreßt wird. Dieser Hohlraum kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an die Außenkontur des Formkör­ pers angepaßt sein. Eine weitere Möglichkeit, welche die Verwendung von Übertragungsgliedern mit planer Kontaktfläche gestattet, besteht darin, daß die Folie mit einer Schicht aus einem dicken, weichen Ma­ terial, beispielsweise einer Pb- oder PbSn-Schicht belegt ist, in welcher sich die Außenkontur des als Formkörper wirkenden Bauteils unter Druckeinwirkung abbildet.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe wei­ terer Vorteile näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Aus­ führungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbei­ tenden Widerstandsschweißvorrichtung zum Herstellen eines aus zwei Teilen bestehenden Kugelventilkörpers in vereinfachter, teilweise geschnittener Seitenansicht,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit gegenüber Fig. 1 abgewandelter Formelektrode,

Fig. 3 eine Anordnung mit planer Formelektrode und einem aus zwei Komponenten bestehenden, verformbaren Übertragungswerkstoff,

Fig. 4 eine Vorrichtung, ähn­ lich derjenigen nach Fig. 1, bei welcher der scheibenförmige Kugel­ halter des Kugelventilkörpers mit einer Isolierstoffolie belegt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in den Figuren schematisch dargestellte Widerstandsschweißvor­ richtung hat eine untere, feste Elektrode 1 und eine dieser mit Ab­ stand gegenüberliegend angeordnete obere Elektrode 2, die in Rich­ tung des in Fig. 1 eingezeichneten Doppelpfeils 3 heb- und senkbar ist. Die planen Stirnflächen 4 bzw. 5 der beiden Elektroden 1 bzw. 2 stehen parallel zueinander. Die Elektroden sind an einen Schweiß­ stromkreis angeschlossen und dienen zum Verbindungsschweißen von Kleinbauteilen, die im Ausführungsbeispiel aus einer gehärteten Stahlkugel 6 und einem Kugelhalter 7 (Fig. 1 bis 3) bzw. 8 (Fig. 4) bestehen. Die beiden Teile bilden im zusammengeschweißten Zustand einen Ventilkörper für Kugelventile. Der Kugelhalter 7 ist als mas­ siver Zylinderbolzen ausgebildet, der in eine Bohrung 9 der unteren Elektrode 1 einsetzbar ist und sich mit einem Bund 10 an der Stirn­ fläche 4 dieser Elektrode abstützt. Der Kugelhalter 8 nach Fig. 4 ist als flache Scheibe ausgebildet, für die in der unteren Elektrode 1 eine Aufnahme in Form einer Vertiefung 11 vorgesehen ist. Der Ku­ gelhalter 7 ist an seiner Stirnfläche mit einer Sacklochbohrung 12 versehen, welche die Kugel 6 aufnimmt und zentriert. Der Kugelhalter 8 hat für den gleichen Zweck eine durchgehende Bohrung 13. In beiden Fällen ist der Durchmesser der Bohrungen erheblich kleiner als der Kugeldurchmesser, so daß die Kugel nur zu einem kleinen Teil in die Bohrung eintauchen kann. Der größere Teil der Kugel liegt frei zu­ gänglich über dem Kugelhalter 7 bzw. 8. Die Berührung zwischen Kugel und Bohrung erfolgt entlang einer Kreislinie oder Kreisfläche 14 mit geringer Breite. An dieser Fläche werden die beiden Teile 6, 7 bzw. 6, 8 miteinander verschweißt.

Der zum Schweißen erforderliche Druck und die Wärme werden den Tei­ len 6, 7 bzw. 6, 8 über die Elektroden 1, 2 durch Absenken der obe­ ren Elektrode 2 und Einschalten des Schweißstromes zugeführt. Um da­ bei eine Deformierung und/oder eine Veränderung der Materialstruktur des freiliegenden Teils der Kugel 6 zu verhindern, wird die obere Elektrode 2 nicht unmittelbar an den freiliegenden Teil der Kugel 6 angelegt. Vielmehr ist zwischen Kugel 6 und Elektrode 2 ein verform­ barer Übertragungsstoff vorhanden, welcher den von der Elektrode 2 ausgeübten Druck und den Schweißstrom im Bereich des freiliegenden Teils der Kugel auf etwa die Hälfte der gesamten Kugelfläche ver­ teilt. Es wird vorzugsweise ein Werkstoff mit geringem spezifischen, elektrischen Widerstand verwendet, welcher sich unter Druckeinwir­ kung plastisch verformt.

Anstelle von plastisch verformbaren Werkstoffen könnten auch gummi­ elastische Werkstoffe aus elektrisch leitendem Material verwendet werden, die nach Druckentlastung ihre ursprüngliche Form wieder an­ nehmen. Wesentlich ist, daß die druckübertragende Berührungs- oder Kontaktfläche 15 zwischen dem verformten Übertragungsstoff und dem als Formkörper wirkenden freiliegenden Teil der Kugel 6 deutlich größer ist als die Fläche 14, an denen die Bauteile miteinander ver­ schweißt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß der von der Elektro­ de 1 ausgehende Druck über eine große Fläche der Kugel auf die kleinflächige Schweißzone 14 übertragen und dort konzentriert wird. Der verformbare Übertragungsstoff paßt sich der Kugeloberfläche an und verhindert partielle Deformierungen der freiliegenden Kugel­ fläche. Außerdem sorgt die großflächige Ummantelung der freien Ku­ gelfläche für einen geringen Übergangswiderstand zwischen Übertra­ gungsstoff und Kugel, so daß der freiliegende Teil der Kugel keinen unzulässig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Dagegen konzentriert sich der Schweißstrom im Bereich der Schweißzone 14 auf eine sehr kleine Fläche, wodurch eine schnelle Erwärmung dieser Zone auf Schweißtemperatur gewährleistet ist. Als plastisch verformbarer Werkstoff wird vorzugsweise ein dünnes, folienartiges Metallband 16 aus leicht verformbarem, elektrisch gut leitendem und eine hohe Schmelztemperatur aufweisenden Material verwendet. Diese Forderungen erfüllt beispielsweise ein Kupferband, das bei relativ hoher Schmelztemperatur eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine große Duktilität aufweist.

Um die gewünschte Verformung des Metallbandes 16 zu ermöglichen, ist bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 4 die Stirn­ fläche 5 der oberen Elektrode 2 mit einer nach unten hin offenen, halbkugelförmig ausgebildeten Kalotte 17 versehen, deren Größe so gewählt ist, daß sie die obere Kugelhälfte und das diese umgebende Metallband 16 aufzunehmen vermag. Der Druck der oberen Elektrode 2 verformt das Metallband entsprechend der Kugelfläche, wobei die Ku­ gel 6 als Formkörper wirkt. Kleine Abweichungen der Kalottenform von der Kugelform werden durch das Metallband ausgeglichen. Nach erfolg­ ter Verformung des Bandes 6 wird der Schweißstrom für eine vorgege­ bene Zeitspanne eingeschaltet und nach erfolgter Schweißung bei an­ gehobener Elektrode 2 das Metallband 6 um mindestens den Durchmesser der oberen Elektrode 2 weitergeschaltet. Hierzu kann beispielsweise ein nicht dargestelltes, an sich bekanntes Schrittschaltwerk verwen­ det werden. Die Transportrichtung des Metallbandes 16 ist in Fig. 1 durch einen Pfeil kenntlich gemacht.

In Fig. 2 wird zur Verformung des Metallbandes 16 anstelle des ku­ gelkalottenförmigen Hohlraums 17 eine in der Stirnfläche 5 der obe­ ren Elektrode 2 ausgebildete Sacklochbohrung 18 benutzt, deren Durchmesser dem Durchmesser der Kugel 6 plus der doppelten Dicke des Metallbandes 16 plus ca. 0,2 mm Spiel in der Elektrode entspricht. Beim Schweißvorgang wird das Metallband 16 von der kreislinienförmi­ gen Bohrungskante erfaßt und um die Kugel so weit herumgezogen, daß es die obere Kugelhälfte bedeckt. Der von der Elektrode 2 ausgehende Druck wird über das Metallband 16 und die Kugel auf die die Schweiß­ zone bildende Kontaktfläche 14 zwischen Kugel und Kugelhalter über­ tragen und dort auf eine kleine Fläche konzentriert. Der Kugelhalter stützt sich während des Schweißvorgangs mit seinem Bund 10 an der Oberfläche 4 der unteren, festen Elektrode 1 ab.

Der Abstand zwischen dem verformten Metallband 16 und der Stirn­ fläche des Kugelhalters 7 bzw. 8 richtet sich nach dem Kugeldurch­ messer sowie nach dem Durchmesser der im Kugelhalter ausgebildeten Bohrung 12 bzw. 13. Beim Schweißen von Kugeln mit sehr kleinem Au­ ßendurchmesser oder von Ventilkörpern der in Fig. 4 gezeigten Art, bei denen der Kugeldurchmesser um ein Vielfaches kleiner ist als der Durchmesser des Kugelhalters 8 ist es ratsam, zur Vermeidung von Schweißstromnebenschlüssen, die Oberfläche des Kugelhalters mit ei­ ner Isolierstoffolie zu belegen, welche im Bereich der Bohrung des Kugelhalters eine Aussparung hat. Eine solche, mit einer Aussparung 19 versehene Folie 20 ist in Fig. 4 gezeigt.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen müssen die beiden Elektroden genau aufeinander ausgerichtet sein, damit die Zentrierung der Kugel 6 in der Bohrung 12 bzw. 13 des Kugelhalters beim Schweißvorgang erhalten bleibt. Eine solche hochgenaue Ausrich­ tung der beiden Elektroden ist bei der Anordnung nach Fig. 3 nicht notwendig, weil dort die Plan- bzw. Stirnfläche 5 der oberen Elek­ trode 2 keinen die Lage der Kugel 6 bezüglich der Bohrung 12 bzw. 13 des Kugelhalters beeinflussenden Hohlraum aufzuweisen braucht. Dies ist dadurch erreicht, daß das folienartige Metallband 16 mit einer dicken, weichen Metallschicht 21 belegt ist, in welcher sich die obere Hälfte der Kugel 6 unter Druckeinwirkung abbildet. Als solche Metallschicht kann beispielsweise eine Pb- oder PbSn-Schicht verwen­ det werden. Durch die vergleichsweise große Stirnfläche der Elek­ trode 2 wird ein Einsinken der weichen Metallschicht 21 in die Elek­ trode bei der Verformung weitgehend vermieden. Die Dicke der ver­ formbaren Werkstoffkombination 16, 21 ist, wie aus Fig. 3 ersicht­ lich, etwas größer gewählt als der Kugelradius. Beim Schweißvorgang wird das Band nach Druckbeaufschlagung durch die Elektrode 2 durch die Kugel 6 in die weiche Metallschicht hineingedrückt, wobei ein genaues Abbild der oberen Kugelhälfte entsteht. Bei Kugeln, deren Durchmesser unter 2,0 mm liegt, kann die Dicke der Metallschicht 21 auch kleiner als der Kugelradius sein.

Das vorgeschlagene Verfahren gewährleistet, daß beim Verschweißen hochgenauer Teile, z.B. gehärteter Kugeln, die als Dichtelemente wirken, keine Deformation oder Entfestigung außerhalb der Schweiß­ verbindung erfolgt. Dies wird unter Verwendung eines verformbaren Übertragungsstoffes zwischen dem beweglichen Übertragungsglied 2 und der Kugel dadurch erreicht, daß die Kontaktierfläche der Kugel zum beweglichen Übertragungsglied hin gegenüber der Schweißzone mög­ lichst groß gehalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbindungsschweißen von Klein­ bauteilen ist nicht auf das anhand von Ausführungsbeispielen be­ schriebene Widerstandsschweißen von Kugelventilkörpern beschränkt. Vielmehr können damit auch andere Bauteile, insbesondere Präzisions­ bauteile auch aus gehärteten Materialien miteinander verschweißt werden, bei denen die als Schweißzone dienende Berührungsfläche zwischen den Bauteilen durch gezielte Maßnahmen vorzugsweise deut­ lich kleiner gemacht wird als die von dem verformten Übertragungs­ stoff ummantelte, druckübertragende Kontaktfläche. Neben der bevor­ zugt angesprochenen Widerstandserwärmung können zur gezielten Erhit­ zung der Schweißzone auch andere Wärmequellen, beispielsweise er­ hitzte Stempel oder eine auf die Schweißstelle gerichtete Gasflamme verwendet werden.

Wie vorstehend bereits angedeutet, wird der Schweißstrom erst nach weitgehend abgeschlossener Verformung des Übertragungsstoffes 16 bzw. 16, 21 eingeschaltet. Hierzu kann im Stromkreis der in Fig. 1 angedeuteten Schweißstromquelle 22 ein Schalter 23 angeordnet sein, welcher mit der beweglichen Elektrode 2 gekoppelt ist und durch diese bei Erreichen ihrer unteren Endlage geschlossen wird. Hier­ durch ist sichergestellt, daß der Schweißstrom vom Band 16 auf die gesamte freiliegende Fläche der Halbkugel verteilt wird. Große Fläche bedeutet kleine Stromkonzentration und damit geringe Erwär­ mung. Überhitzungen von Teilflächen der Halbkugel, die zu partiellen Enthärtungen führen könnten, sind dadurch zuverlässig ausgeschlos­ sen. Diese Maßnahme hat nicht nur Bedeutung für Schweißprodukte, bei denen die druckübertragende Kontaktfläche zwischen dem verformten Übertragungsstoff und dem Formkörper größer ist als die Schweißzone, sondern kann darüber hinaus auch zum Verschweißen von Bauteilen ver­ wendet werden, bei denen diese Bedingung nicht erfüllt ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verbindungsschweißen, insbesondere Widerstands­ schweißen, von Kleinbauteilen, bei dem die miteinander zu verbinden­ den Teile mittels eines Übertragungsgliedes zusammengepreßt und im Zusammenwirken mit dem übertragenen Druck durch Erwärmung zusammen­ geschweißt werden, wobei die Druck- und Wärmeübertragung mittels ei­ nes verformbaren, vom Übertragungsglied beaufschlagten Übertragungs­ stoffes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die druckübertragende Berührungsfläche (15) zwischen dem verformten Übertragungsstoff (16 bzw. 16, 21) und dem als Formkörper wirkenden Bauteil (6) größer ist als diejenige Fläche (14), an der die Bauteile (6, 7 bzw. 6, 8) mit­ einander verschweißt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Über­ tragungsstoff (16 bzw. 16, 21) ein unter Druckeinwirkung plastisch verformbarer Werkstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ver­ formbarer Werkstoff eine Folie (16) aus leicht verformbarem und eine hohe Schmelztemperatur aufweisenden Material, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (16) bei ihrer Verformung unter Druckeinwirkung in einem im Übertra­ gungsglied (2) ausgebildeten Hohlraum (17 bzw. 18) eintritt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Hohlraums (17) an die Außenkontur des als Formkörper wirkenden Bauteils (6) angepaßt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (16) mit einer dicken, weichen Materialschicht (21), beispielsweise einer Pb- oder PbSn-Schicht, hinterlegt ist, in welcher sich die Außenkontur des als Formkörper wirkenden Bauteils (6) unter Druck­ einwirkung abbildet.

7. Ein nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellter Ventilkörper, insbesondere Kugelventilkörper aus elek­ trisch leitenden Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Elektrode (1) aufliegender bzw. in diese eingesetzter Kugel­ halter (7 bzw. 8) mit einer zur Aufnahme der als Formteil wirkenden Kugel (6) dienenden Bohrung (12 bzw. 13) versehen ist, deren Durch­ messer kleiner ist als der Kugeldurchmesser.

8. Ventilkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kugelhalters (8) mit einer Isolierstoffolie (20) be­ legt ist, welche im Bereich der Bohrung (13) eine Aussparung (19) hat.

9. Verfahren zum Widerstandsschweißen von Kleinbauteilen, bei dem die miteinander zu verbindenden Teile mittels einer die Elektroden beaufschlagenden Kraft zusammengepreßt und im Zusammenwirken mit dem übertragenen Druck zusammengeschweißt werden, wobei die Druck- und Wärmeübertragung mittels eines durch den Elektrodendruck verformba­ ren Übertragungsstoffes erfolgt, insbesondere nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom erst nach weitgehend abgeschlossener Verformung des Übertragungs­ stoffes (16 bzw. 16, 21) eingeschaltet wird.