DE3832095C2 - Widerstandsschweißverfahren für Werkstücke mit hohem Schlankheitsgrad - Google Patents

Description

Das Verschweißen von Behältern oder Gehäusen, beispielsweise das Verbinden von Gehäuserahmen mit zugehörigem Boden und Deckel, kann durch Widerstandsschweißen bewerkstelligt werden. Im allgemeinen wird hierbei das Rollnahtschweißen oder Punkt­ schweißen angewendet. Hierbei kann an den zu verbindenden Einzelteilen des Werkstückes ein sog. Bördelbund ausgeformt werden, an dem die zwei Schweißelektroden ansetzen und die Verbindung herstellen. In diesem Fall sind die beiden Schweiß­ elektroden relativ dicht zusammen, da hierbei lediglich zwei Werkstückpartien mit geringer Materialstärke verbunden werden. Soll nun aus Gründen des Packungsverhältnisses und des Nutzungsgrades eines Werkstückes dieser Bördelbund vermieden werden, so ist das Rollnahtschweißen einzusetzen. Über das Rad der Schweißelektrode werden entweder eine Vielzahl von hinter­ einander gesetzten Punktschweißverbindungen oder eine konti­ nuierliche Schweißnaht erzeugt. Der zweite Elektrodenanschluß ist in diesem Fall am gegenüberliegenden Teil des Werkstückes angebracht. Ist nun zum einen beabsichtigt, ein Gehäuse in einem Arbeitsgang komplett zu verschweißen und zum anderen Materialien einzusetzen, deren Materialeigenschaften bezüglich der Wärmeausdehnung bestimmten Anforderungen entsprechen, so stoßen die bisher genannten Verfahrensweisen an ihre Grenzen. Das Rollnahtschweißen erfordert mehrere Arbeitsschritte und die Oberflächenqualität der erwähnten Materialien verschlech­ tert sich wesentlich an den Berührungsstellen des Rollrades der Schweißelektrode. Aus diesen Gründen wird ein langläufig als Komplettschweißen bekanntes Verfahren verwendet, bei dem zwei Schweißelektroden gegenüberliegend an einem aus mehreren Einzelteilen bestehenden Werkstück angreifen, die Einzelteile durch eine bestimmte Kraft aneinanderdrücken und durch einen Stromimpuls die Widerstandsschweißverbindungen hergestellt werden. Diese Widerstandsverschweißung ist genau genommen durch die nötige Andruckkraft eine Widerstandspreßschweißung. Ein derartiges Verfahren stößt ebenfalls an seine Grenzen, wenn die oben bereits erwähnten Werkstoffe mit besonderen Wärmeausdehnungseigenschaften verwendet werden. Derartige Stoffe haben in der Regel eine sehr geringe elektrische Leit­ fähigkeit. Dies führt verbunden mit einer schlanken Konstruk­ tion bei einer Komplettschweißung zu Überhitzungen und Insta­ bilitäten des Materials. Zur Charakterisierung eines Werk­ stückes wird ein Schlankheitsgrad definiert, der bei den hier betrachteten Hohlkörpern, die durch Verschweißen entstehen, das Verhältnis zwischen der Höhe eines Körpers und dessen Wandstärke angibt. Das Wesentliche ist hierbei, daß die beiden Schweißelektroden weit auseinanderstehen, wenn sie von oben und unten das Werkstück kontaktieren. Somit muß der Strom des Schweißimpulses eine lange Wegstrecke durch das Werkstück Zurücklegen und sorgt neben der gewünschten Erwärmung an den Verbindungszonen für eine schädliche Erwärmung an inneren Partien des Werkstückes.

Im Stand der Technik sind verschiedenartigste Schweißverfahren bekannt. So werden beispielsweise durch die deutschen Offenle­ gungsschriften DE 22 19 333 und DE 36 07 394 Schweißverfahren be­ schrieben. Die erstgenannte Offenlegungsschrift offenbart ein Verfahren zur Verbindung zweier Bleche durch elektrisches Widerstandsschweißen, wobei die Bleche senkrecht zueinander positioniert sind. Die zweitgenannte Offenlegungsschrift betrifft das Rollnahtschweißen, wobei die Rollenelektroden unterschiedlich gestaltet sind, die Rollenelektroden ständig an ihrem Umfang während des Schweißvorganges besäumt werden und die Schweißnaht zusätzlich in Schweißrichtung vor- und rücklaufend ständig gekühlt wird.

Eine allgemeine Literaturstelle zum Widerstandsschweißen ist: L.Pfeifer, "Fachkunde des Widerstandsschweißens", Verlag W. Girardet - Essen, 1969, Seiten 22 bis 25. Hierin werden verschiedene Vorgänge oder Vorbereitungen zum Schweißen beschrieben. Dazu gehören insbesondere die Werkstückvor­ bereitung, Punktabstände, Randabstände, Anordnungen oder auch Buckelanordnungen zum Schweißen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Werkstücke mit hohem Schlankheits­ grad in einem Arbeitsgang durch Widerstandsschweißen ohne Be­ schädigung der Oberfläche an den Kontaktstellen mit den Schweißelektroden und ohne schädliche Erwärmung verschweißt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Wider­ standsschweißverfahren, mit dem Werkstücke mit hohem Schlank­ heitsgrad in einem Arbeitsgang komplett verschweißt werden können, durch gezielte Beeinflussung des Stromflusses während der Verschweißung derart verbessert werden kann, daß weder Überhitzungen im Werkstück, noch Beschädigungen an der Ober­ fläche auftreten. Die gezielte Beeinflussung des Stromflusses besteht in der Anbringung von elektrisch gut leitenden Mitteln am Werkstück, womit die den Verbindungszonen benachbarten Be­ reiche des Werkstückes verbunden werden. Dies führt zu einem bevorzugten Stromfluß durch die elektrisch gut leitenden Mittel und reduziert den Stromfluß durch den Teil des Werk­ stückes, der, vorgegeben durch die Konstruktion mit hohem Schlankheitsgrad, eigentlich den Strom übertragen müßte. Dies führt zu einer wesentlich geringeren Erwärmung des Werkstückes an den Stellen, an denen zwangsläufig der Schweißstrom geführt werden muß, aber keinerlei Verschweißungen getätigt werden müssen. Damit sind erfindungsgemäß qualitativ hochwertige Widerstandsverschweißungen an Werkstücken durchführbar, deren charakteristische Konstruktion mit hohem Schlankheitsgrad eine relativ große Distanz zwischen den Schweißelektroden und damit eine relativ lange Strecke des Schweißstromes innerhalb des Werkstückes vorgeben. Die hier zum Einsatz kommenden Mittel können verschiedenster Art sein, wobei kein Kurzschluß zwischen den Schweißelektroden oder den Verbindungszonen hergestellt werden darf und die Mittel sich in ihrer Leitfähigkeit wesent­ lich von der Leitfähigkeit des Grundmateriales des Werkstückes absetzen müssen. Die zweckmäßige konstruktive Auslegung bezüg­ lich des Materiales und der stromführenden Querschnittsfläche ist für den Fachmann leicht durchführbar. Als Mittel zur Er­ höhung der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstückes wären beispielsweise mechanisch am Werkstück kontaktierte und parallel zum Stromfluß geschaltete Stromführungen mit hoher Leitfähigkeit denkbar.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht als Mittel zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstückes eine Metallschicht vor, die mindestens einseitig auf das Werk­ stück aufgebracht wird. Sie sollte mindestens den zehnfachen Wert der Leitfähigkeit des Grundwerkstoffes besitzen, um mit einer geringen Schichtdicke der Metallschicht auszukommen.

Die Metallschicht kann vorzugsweise galvanisch aufgebracht werden, wobei das Werkstück keinen nachteiligen Wärmebe­ lastungen unterworfen werden muß.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Metallschicht durch Plattierung auf das Werkstück aufgebracht wird. Damit ist eine relativ einfache Herstellungsweise, bei­ spielsweise durch Walzplattierung, möglich.

Zur Optimierung von elektrischer Leitfähigkeit, Schichtdicke der Metallschicht und Materialkosten ist der Einsatz von Kupfer für die Herstellung der Metallschicht besonders vor­ teilhaft.

Die Werkstücke werden an den Verbindungszonen zumindest ein­ seitig mit einem Schweißbuckel ausgeformt. Diese an sich be­ kannte konstruktive Ausgestaltung führt in Verbindung mit einer durch die Schweißelektrode aufgebrachten Andruckkraft während der Verschweißung zu einer mechanisch tragfähigen und hermetisch dichten Verbindung.

Im folgenden wird anhand von zwei schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Stecker mit Steckerstiften und Zuleitung.

Fig. 2 zeigt die teilweise geschnittene Seitenansicht des Steckers.

In der Fig. 1 ist ein Stecker dargestellt, von dem der Boden 2 und die Stifte 9, sowie die Zuleitung 8 sichtbar sind. Dieser Stecker beinhaltet elektronische Bauteile, die in der Regel von der Außenatmosphäre hermetisch abgeschlossen sind. Der Stecker wird durch den umlaufenden Gehäuserahmen 1, dessen Wandstärke durch die umlaufende gestrichelte Linie angedeutet ist, den Boden 2 und den hier nicht erkennbaren Deckel 3 durch Widerstandsverschweißen hergestellt.

In der Fig. 2 sind die Teile eines Steckers, wie Zuleitung 8, Gehäuserahmen 1, Boden 2, Deckel 3 und Stifte 9 sichtbar. Die für das Widerstandsschweißverfahren am Gehäuse kontaktierten Schweißelektroden 5 sind in einiger Entfernung von Boden 2 und Deckel 3 angedeutet. In dem geschnitten dargestellten Bereich sind neben Gehäuserahmen 1, Boden 2 und Deckel 3 eine an der Innenseite des Gehäuserahmens 1 angebrachte Metallschicht 4, bestehend aus Kupfer, ein bzw. zwei umlaufende Schweißbuckel 7 und die zwei entsprechenden Verbindungszonen 6 schematisch dargestellt. Die an die konstruktive Auslegung angelehnte genaue Bezeichnung dieses Schweißverfahrens wäre Ringbuckel­ schweißen. Das eingesetzte Widerstandsschweißverfahren wird in der Regel mit einer durch die Schweißelektroden 5 aufgebrach­ ten Andruckkraft durchgeführt, wobei der Schweißbuckel 7 während des Schweißstromimpulses und der Erhitzung an den Ver­ bindungszonen 6 plastisch verformt werden kann. Es entsteht eine mechanisch tragende und hermetisch dichte, insbesondere vakuumdichte, Verbindung. Dies ist für die Herstellung von evakuierten oder mit Edelgas gefüllten Steckern notwendig.

Die Nachteile des Rollnahtschweißens werden hier sämtlichst vermieden. Die Abnützung der Schweißelektroden 5 ist minimal, ein Bördelbund, der das Volumen des Steckers vergrößert, ist nicht vorhanden und die Verschweißung ist in einem Arbeits­ gang für Boden 2 und Deckel 3 durchführbar. Aus diesem Grund kann von einer Komplettschweißung geredet werden.

Der im linken Teil der Fig. 2 geschnitten dargestellte Ge­ häuserahmen 1 ist durch seine Form stellvertretend für den hohen Schlankheitsgrad des Werkstückes. Das Verhältnis zwischen Höhe und Breite ist derart hoch, daß die Führung des Schweißstromes über eine große Entfernung zwangsläufig vor­ gegeben ist. Beim heute üblichen Einsatz von Eisenlegierungen mit besonderer Wärmeausdehnungscharakteristik, beispielsweise Werkstoffen wie Vakon (siehe Stahleisenliste, Werkstoff Nr. 1.3981 - X50 NiCo 29/18) sind Leitfähigkeitswerte von 1 bis maximal 2 Sm/mm² vorhanden. Dies führt zu einer unerwünscht hohen Erwärmung beim Verschweißen, was sich nachteilig auf eingeglaste Stiftdurchführungen auswirkt und eine Wölbung des Gehäuserahmens 1 zur Folge haben kann. Einen Werkstoff mit höherer Leitfähigkeit zu verwenden, würde unter Umständen die notwendige Erwärmung in den Verbindungszonen 6 nicht gewähr­ leisten. Aus diesen Gründen ist an der Innenseite des Gehäuse­ rahmens 1 eine Metallschicht 4 aus Kupfer aufgebracht, die die Bereiche des Gehäuserahmens 1, die an die Verbindungszonen 6 angrenzen, verbindet. Diese Metallschicht 4 aus Kupfer kann relativ dünn ausgelegt sein, da die Leitfähigkeit von Kupfer (ca. 56 Sm/mm²) wesentlich höher ist, als die des Grundwerk­ stoffes. Damit ist die gesamte Leitfähigkeit des Gehäuserahmens 1 in den Bereichen, in denen nicht geschweißt wird, mindestens verdoppelt worden. Durch diese Konstruktion wird der Schweiß­ strom über die Verbindungszonen 6 geleitet, umgeht aber im wesentlichen die relativ lange Strecke zwischen den beiden Verbindungszonen 6 auf dem Weg über die Metallschicht 4. Somit tritt die unerwünschte Erwärmung des Gehäuserahmens 1 nicht auf. Aus Versuchen hat sich ergeben, daß die während der Ver­ schweißung auftretende Temperatur im Gehäuserahmen 1 von ca. 265°C auf ca. 170°C verringert werden kann. Gleichzeitig hat sich die Temperatur im Boden 2 von ca. 120°C auf ca. 80° erniedrigt.

Durch diese gezielte Führung des Schweißstromes lassen sich die Parameter der Widerstandspreßschweißung, im vorliegenden Fall für das Ringbuckelschweißen, zum Teil über früher bestehende Grenzen hinaus vorteilhaft verändern. So kann z. B. mit einem höheren Strom als beim Rollnahtschweißen gearbeitet werden. Die Verschweißung mittels eines Stromimpulses und eines Arbeits­ ganges geschieht unter geringerer Wärmebelastung des Werk­ stückes und in sehr viel kürzerer Zeit. Das Material der Schweißelektroden ist in der Regel Kupfer. Die verwendete Andruckkraft bei der Verschweißung eines Gehäuses mit den Daten für Länge/Breite/Höhe = 29 mm/15 mm/9 mm beträgt ca. 8000 N.

Claims (6)

1. Widerstandsschweißverfahren für Werkstücke mit hohem Schlank­ heitsgrad, insbesondere zum kompletten Verschweißen von Ge­ häuserahmen (1) mit Boden (2) und Deckel (3) in einem Arbeits­ gang, gekennzeichnet durch den Einsatz von Mitteln zur Erhöhung der elektrischen Leit­ fähigkeit des Werkstückes, wobei die Mittel in Richtung des Stromflusses am Werkstück angebracht werden und die an Ver­ bindungszonen (6) oder Schweißelektroden (5) angrenzenden Bereiche des Werkstückes verbinden.

2. Widerstandsschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstückes eine mindestens einseitig auf das Werkstück aufge­ brachte Metallschicht (4) verwendet wird, wobei die Leitfähig­ keit der Metallschicht (4) mindestens den zehnfachen Wert der Leitfähigkeit des Grundwerkstoffes besitzt.

3. Widerstandsschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (4) galvanisch aufgebracht wird.

4. Widerstandsschweißverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (4) durch Plattierung auf dem Werkstück aufgebracht wird.

5. Widerstandsschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (4) aus Kupfer hergestellt wird.

6. Widerstandsschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke an der Verbindungszone (6) zumindest ein­ seitig mit einem Schweißbuckel (7) ausgeformt sind.