DE3815069A1 - Verfahren zur herstellung einer korrosionsfesten verbindung zwischen aus metallischem werkstoff gebildeten bauteilelementen durch punktschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Verbindung zwischen aus metallischem Werk­ stoff gebildeten Bauteilelementen durch Punktschweißen, ins­ besondere zur Verbindung von Bauteilelementen der Zellen­ struktur von Luft- oder Raumfahrzeugen.

Zur Erzielung einer stoffschlüssigen Verbindung von Bau­ teilen oder Bauteilelementen, die aus gleichem oder ähn­ lichem Werkstoff bestehen, ist Schweißen ein allgemein be­ kanntes Arbeitsverfahren.

Die Vereinigung metallischer Werkstoffe erfolgt dabei unter Anwendung von Wärme und Druck mit oder ohne Zusatz von art­ gleichem Werkstoff.

Die Erfindung geht aus vom allgemeinen bekannten Punkt­ schweißverfahren zur Verbindung zweier oder mehrerer Bau­ teilelemente zu einem Teil.

Beim Punktschweißverfahren, das als Widerstandspreßschweißen einzuordnen ist, wird kurzzeitig zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen ein brennender Lichtbogen erzeugt und die Verbindung durch nachfolgendes, schlagartiges Stauchen hergestellt.

Bauteile der Luft- und Raumfahrt, aber auch solche des Automobilbaus, erfordern eine korrosionsfeste Schweiß­ verbindung.

Bekannt ist unter Einsatz des bisher üblichen trockenen Punktschweißverfahrens auf die Berührungsfläche der mitein­ ander zu verbindenden Teile Epoxidkleber aufzubringen. Die Verwendung von Epoxidklebern zur Erzielung einer korro­ sionsfesten Schweißverbindung trägt zwar zu einer zusätz­ lichen Steigerung der Übertragung von Schubspannungen zu­ sätzlich zur Punktschweißverbindung bei, jedoch sind der­ artige Kleber alterungsanfällig und anfällig gegen soge­ nannte "bondline corrosion" (Korrosion an den Berührungs­ flächen zwischen Kleber und Metall durch Feuchte im Kleber).

Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, müssen die Klebefugen mit Dichtmassenraupen abgedeckt werden. Diese Ausbildung stellt einerseits einen erhöhten Arbeitsaufwand dar und ist andererseits bei Hohlprofilen größerer Längserstreckung nur schwer oder überhaupt nicht durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe eine völlig korrosionsfeste, alterungsbestän­ dige Punktschweißverbindung herstellbar ist.

Die gestellte Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 genannten Verfahrensmerkmale und in vorteilhafter weiterer Ausgestal­ tung den Merkmalen der dem Anspruch 1 folgenden Ansprüche gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die Mittel zur Durchführung des Verfahrens ermöglichen gegenüber dem Bekannten den Einsatz der allgemein bekannten Punktschweiß­ technologie zum Verbinden metallischer Bauteile, insbeson­ dere solcher, für den Einsatz an Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt mit ihren besonderen Erfordernissen und Forderungen an Korrosionsfestigkeit und Alterungsbeständig­ keit. Daraus resultiert eine wesentliche Vereinfachung und Kostenminderung als Alternative zum Einsatz von Kunststoff­ bauteilen und Klebebauteilen.

Besondere Vorteile, der für des Punktschweißen eingesetzten Dichtmasse, ergeben sich daraus, daß die Dichtmasse an schrägen und senkrechten Verbindungsflächen nicht wegfließt, daß Dichtmassen der genannten Art äußerst alterungsbeständig gegenüber der Verwendung von Epoxidklebern sind, daß die Aus­ härtung bei Raumtemperatur erfolgen kann und in der Dicht­ massenklebung keine "bondline corrosion" auftritt.

Das neuartige Verfahren erfordert gegenüber den bisher ange­ wandten Arbeitsverfahren keine neuen Werkzeuge und außerdem entfällt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Nacharbeit der Verbindung.

Die Dichtmassen zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen dient mit Bezug auf die Punktschweißverbindung lediglich dazu, den Spalt zwischen den zu verbindenden Teilen vor Korrosionsangriff dauerhaft zu schützen. Die Festigkeit der Verbindung wird hierbei weitgehend über die Schweißpunkte erzeugt.

In der Zeichnung ist in Verbindung mit einer Punktschweiß­ einrichtung ein Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Arbeitsschritten dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 schematisiert eine Punktschweißeinrichtung gemeinsam mit zwei miteinander zu verbinden­ den Bauteilelementen, wobei die Elektroden als drucklos am Werkstück anliegend zu be­ trachten sind,

Fig. 2 die Punktschweißeinrichtung gemeinsam mit den Bauteilelementen in einem gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 die Punktschweißeinrichtung in einem, gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 und 2, fortge­ schrittenen Arbeitsstadium,

Fig. 3a in einem Ausschnitt aus Fig. 3 eine Stirn­ ansicht gemäß der Linie IIIa-IIIa der Fig. 3,

Fig. 4 in einer fotografischen, vergrößerten Schnitt­ bilddarstellung im Querschnitt eine Punktschweiß­ stelle in Verbindung mit der Dichtmasse und

Fig. 5 die fotografische Darstellung einer Punktschweiß­ stelle in Draufsicht gemäß der Darstellung nach Fig. 4, wobei die Darstellung eine aufgetrennte Punktschweißstelle ist.

Bei der in Fig. 1 und 2 schematisch angedeuteten Punkt­ schweißeinrichtung 1 üblicher Bauart, ist mit 2 die beweg­ liche Stiftelektrode und mit 3 die feststehend angeordnete Gegenelektrode bezeichnet.

Zwischen den beiden Elektroden 2, 3 befinden sich die Füge­ flächenabschnitte 4′, 5′ der miteinander zu verbindenden Bauteilelemente 4, 5.

Mit 7 ist in Fig. 1 ferner noch der Punktschweißtransforma­ tor der Punktschweißeinrichtung 1 und mit 8 die auf die Fügeflächenabschnitte 4′, 5′ der mit einander zu verbinden­ den Bauteilelemente 4, 5 ganzflächig aufgebrachte Dicht­ massenschicht bezeichnet.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich liegen hier in einem gegenüber Fig. 1 und 2 fortgeschrittenem Bearbeitungsstadium die Elektroden 2, 3 mit einem für den Punktschweißvorgang vor­ gebenem Druck P am Bauteilelement 4, 5, das heißt an deren Fügeflächenabschnitten 4′, 5′ an.

Unter dem Auflagedruck P der Elektroden 2, 3 mit vorbestimm­ ter Größe an den Bauteilelementen 4, 5, wird die im Bereich des Auflagedruckes der Elektroden 2, 3 der Fügeflächen 4′, 5′ aufgebrachte Dichtmassenschicht 8 verdrängt.

Infolge des Elektrodendruckes P wird eine Druckpunktfläche 10 an beiden Bauteilelementen 4, 5 gebildet, über die metal­ lischer Kontakt zwischen den Bauteilelementen 4, 5 herge­ stellt wird.

Die Druckpunktflächen 10 sollen dabei im Durchmesser größer als die beim Punktschweißvorgang entstehende Schweißpunkt­ fläche 11, erzeugt durch die Elektroden 2, 3, bemessen sein. Der Arbeitsablauf beim Punktschweißverfahren ist so, daß nach dem Verdrängen der Dichtmasse 8 im Bereich der Druck­ punktfläche 10 durch definierten Elektrodendruck P durch Stromzufuhr anschließend die Schweißpunktfläche 11 erzeugt wird.

In diesem Bearbeitungsstadium wird in herkömmlicher Weise der Stauchdruck der Elektroden 2, 3 auf die Bauteilelemente 4, 5 zur Verschweißung erhöht.

Die Elektrodendruckpunktfläche 10 wird mittels Variierens des Anfangs-Elektrodendruckes P in Abhängigkeit von der Größe der Schweißpunktfläche 11 bemessen.

Die Größe des Durchmessers der Schweißpunktfläche 11 wird bestimmt durch die Stromstärke und Schmelzzeit beim Punkt­ schweißvorgang. Ferner ist die Bemessung abhängig von der Größe des aufgewandten Druckes P mittels der Elektroden 2, 3, und es besteht ferner eine Abhängigkeit der Größe des Durch­ messers der Schweißpunktfläche 11 von der Art und Zusammen­ setzung des Werkstoffs der Bauteilelemente 4, 5 und au­ ßerdem von den Anforderungen, die an die Festigkeit des fertig geschweißten Bauteiles gestellt sind.

Der Durchmesserunterschied zwischen Schweißpunktfläche 11 und Druckpunktfläche 10 sollte vorzugsweise im Durchmesser etwa 2 mm betragen.

Bei Einhaltung der vorgegebenen Differenzdurchmesser der Flächen 10, 11 wird eine Erfassung der Dichtmasse 8 im Be­ reich der Schweißpunktfläche 11 von der Punktschweißschmelze vermieden und eine Zerstörung der Dichtmasse durch Wärmeein­ wirkung ausgeschlossen.

Die Dichtmassenschicht 8 kann so auf die Fügeflächen 4′, 5′ der Bauteilelemente 4, 5 aufgebracht sein, daß beidseitig der Bereich der Stirnfläche 16 der Bauteilelemente 4, 5 mit einer im Querschnitt etwa dreieckförmigen Dichtmassenraupe 17 versehen wird und somit die sonst der Korrosion unter­ liegenden Stirnflächen 15, 16 durch die Dichtmasse abge­ schlossen sind.

Damit wird dem in der Technik allgemein als "bondline corrosion" bekannten Effekt zwischen einander berührenden Flächen entgegengewirkt.

Die bei Punktschweißverbindungen bisher eingesetzten Kleber enthalten Feuchtigkeit, welche zur Korrosion der Bauteile und der Schweißverbindung führt.

Als Ausführungsform für eine Dichtmasse für die angegebene Aufgabe kann eine Masse vorgesehen sein, die sich auf der Grundlage herkömmlicher Polysulfid-Polymere aufbaut.

Das Grundpolymer weist in bekannter Weise generell die chemische Gliederung

auf.

Die Dichtmassenzubereitung kann mit wasserlöslichen Chromaten dotiert sein. Damit verbessert sich die anti­ korrosive Eigenschaft auf Leichtmetallsubstraten.

Der Punktschweißvorgang in Verbindung mit dem Aufbringen der Dichtmasse zwischen den Bauteilelementen 4, 5 enthält im wesentlichen folgende Verfahrensschritte:

• - Beizen der Fügeflächen 4′, 5′ der Bauteilelemente 4, 5
• - Auftragen der Dichtmasse 8 auf die Fügeflächen 4′, 5′ (je nach Bauteil ein- oder beidseitig)
• - Heften der Bauteilelemente 4, 5
• - Punktschweißvorgang,
  • - durch definierten Elektrodendruck zunächst Verdrängung der Dichtmasse 8 im Bereich des Druckpunktes (kreisrund) zur Herstellung metallisch blanker Fügeflächenabschnitte im Bereich des Druckpunktes für die Punkt­ schweißkontaktgabe
  • - Stromzufuhr zur Erzeugung der Schweißpunkt­ fläche 11 mit Erhöhung des Elektrodendruckes
• - Reinigen der Bauteilelemente 4, 5
• - Aushärten der Dichtmasse 8.

Die fotografische Darstellung gemäß Fig. 4 in der Art einer Schnittbilddarstellung läßt die beiden miteinander durch Punktschweißen verbundenen Bauteilelemente 4, 5 bzw. deren Fügeabschnitte 4′, 5′ und die zwischen den Teilen flächig aufgetragene Dichtmassenschicht 8 erkennen. Ferner ist die Elektrodendruckpunktfläche 10 und die Schweißpunktfläche 11 zu erkennen, wobei die von der Dicht­ masse 8 freie Ringfläche infolge der Durchmesserdifferenz zwischen der Druckpunktfläche 10 und der Schweißpunktfläche 11 ersichtlich ist.

Das beschriebene Verfahren erfordert keine zusätzlichen Be­ arbeitungsschritte gegenüber dem normalen Punktschweißen. Die Punktschweißstelle wird durch die dem Punktschweißen vorangehende Verdrängung der Dichtmasse von dieser nicht be­ rührt und die Punktschweißstelle ist ungestört durch die Dichtmasse. Daher tritt auch kein Festigkeitsverlust durch den Einsatz der Dichtmasse auf und die Qualität der Punkt­ schweißung entspricht der der Trockenpunktschweißung. Die zwischen den Bauteilelementen 4, 5 liegende Dicht­ massenschicht 8 erbringt, wenn auch nur in geringem Maße eine Festigkeitserhöhung zusätzlich zur Punktschweißung. Die Erhöhung beträgt etwa 1/5 der Festigkeit, die bei der Anwendung von Klebern erreichbar ist.

Die Dichtmasse muß eine solche Beschaffenheit besitzen, daß bei Schäl- oder Scheerbelastung die Dichtmasse kohäsiv, je­ doch nicht adhäsiv versagt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Ver­ bindung zwischen aus metallischem Werkstoff gebildeten Bauteilelementen durch Punktschweißen, insbesondere Bau­ teilelemente der Zellenstruktur von Luftfahrzeugen oder Raumfahrzeugen, wobei eine Vorbehandlung der Fügeflächen (4′, 5′) für den Punktschweißvorgang und den haftenden Auftrag korrosionsverhindernder Schichten wie Entfetten, Spülen, Beizen erfolgt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

• - Aufbringen einer Dichtmassenschicht (8) zumindest einseitig auf die Fügeflächen (4′, 5′) eines der Bauteilelemente (4, 5),
• - Heften der Bauteilelemente (4, 5),
• - Punktschweißvorgang mit
  • - Einstellung eines definierten Elektroden­ druckes zur Erzielung metallisch blanker Fügeflächenabschnitte (10) (Kreisform) im Bereich des Elektrodendruckpunktes (10),
  • - Stromzufuhr zur Erzeugung des Schweiß­ punktes (11)
  • - Aushärten der Dichtmasse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Mittelpunkten einander benachbarter Punkt­ schweißstellen bzw. dem Mittelpunkt einer Punktschweiß­ stelle und dem Bauteilrand ein Abstand von annähernd 9 mm eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch den Elektrodendruck von der Dichtmasse (8) freie Elektrodendruckpunktfläche (10) in ihrem Durchmesser größer als die dazu konzentrische Elektrodenschweißpunktfläche (11) ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (8) zu­ mindest als Basis auf Polysulfid Polymeren aufgebaut ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestschichtdicke der Dichtmassenschicht ca. 0,2 bis 0,25 mm beträgt.