DE3834829C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen widerstandsschweißbaren, dreischich
tigen schwingungsdämpfenden Verbundwerkstoff, der aus zwei Stahl
deckblechen und dazwischen liegender viskoelastischer Kunststoff
kernschicht besteht.
Verbundwerkstoffe mit einer dünnen (z. B. 50-200 µm) und visko
elastischen Kunststoffkernschicht wirken schwingungs- und körper
schalldämpfend und finden überall dort Anwendung, wo es um Lärm
bekämpfung geht, insbesondere um die Verminderung von Körper
schallausbreitung und Luftschallabstrahlung. Als Anwendungsbei
spiele sind der Fahrzeugbau, die Hausgeräteindustrie und der Ma
schinenbau zu nennen.
Verbundwerkstoffe mit einer relativ dicken (z. B. 200-1000 µm)
und schubsteifen Kunststoffkernschicht haben ein geringeres Flä
chengewicht als ein Stahlblech gleicher Steifigkeit oder sind
steifer als ein gleichschweres Stahlblech und sind überall dort
mit Erfolg einsetzbar, wo es auf geringes Gewicht bei gleichzei
tig hoher Steifigkeit ankommt. Diese Verbundwerkstoffe finden
ihre Anwendung im Flugzeug- und Karrosseriebau.
Die praktische Anwendbarkeit der beschriebenen Verbundwerkstoffe
hängt weitestgehend von ihren Verarbeitungseigenschaften beim
Trennen, Umformen und Fügen ab. Die meisten Verarbeitungsverfah
ren bereiten keine Schwierigkeiten prinzipieller Natur; es sind
lediglich gegenüber gleichsteifem Vollblech veränderte Werkzeug-
und Maschinenparameter zu berücksichtigen. Grundsätzlich anders
hingegen ist die Situation beim elektrischen Widerstandsschweißen
als einem der verbreitetsten und wirtschaftlichsten Fügeverfahren
in der industriellen Fertigungstechnik, weil hier infolge der
elektrisch isolierenden Kunststoffkernschicht im Falle von Ver
bundwerkstoffen mit viskoelastischer Zwischenschicht - im Unter
schied zu Vollblech - ein elektrischer Stromfluß nur mit umständ
lichen Sondermaßnahmen zu erreichen ist. lm Falle von Verbund
werkstoffen mit schubsteifer Zwischenschicht kommt sogar nicht
einmal dann ein Stromfluß zustande. Punkt- und Rollennahtschwei
ßen ist daher sehr aufwendig bzw. überhaupt nicht möglich.
Eine Sondermaßnahme besteht bei viskoelastischen Zwischenschich
ten darin, vor jeder Punktschweißung einen elektrischen Neben
schluß z. B. durch eine Metallklemme oder einen Körnerpunkt oder
den jeweils vorausgegangenen Schweißpunkt zu erzeugen. Der durch
den Nebenfluß fließende Strom erwärmt örtlich die Deckbleche und
somit auch die Kunststoffkernschicht; diese erweicht, so daß
nunmehr die Elektrodendruckkraft ausreicht, die Zwischenschicht
beiseite zu drücken, beide Deckbleche direkt in Berührung zu
bringen und die Punktverschweißung damit auszulösen. Dieses suk
zessive "Punkt-nach-Punkt-Verfahren" ist jedoch z. B. im Karros
seriebau, wo in getakteten Schweißstraßen bis zu 20 Schweißpunkte
auf einmal gesetzt werden, kaum anwendbar.
Es hat daher nicht an Überlegungen gefehlt, durch geeignete Maß
nahmen das elektrische Widerstandsschweißen von Schichtverbund
werkstoff ähnlich problemlos wie bei der Verschweißung von Voll
blech zu gestalten. Eine bekannte Maßnahme besteht z. B. darin,
die Kunststoffkernschicht vor der Verbundblechherstellung mit
elektrisch leitenden Pigmenten aus geeignetem Material von geeig
neter Kornform, geeigneter Korngröße bzw. Kornfraktion und geeig
netem Volumenanteil zu versehen. So mischen einige Verbundblech
hersteller der Kunststoffkernschicht Nickelpulver bzw. Graphit
pulver bei, wodurch in der Tat punktschweißbare Schichtverbund
werkstoffe erhalten werden. Die Nachteile dieser Verfahren sind
groß und lassen sich nicht in allen Bereichen anwenden:
Die Anwendung dieser Verfahren ist z. B. nur auf sehr dünne Zwi schenschichten beschränkt.
Die Anwendung dieser Verfahren ist z. B. nur auf sehr dünne Zwi schenschichten beschränkt.
Nickelpulver ist ungewöhnlich teuer und mit einer Wichte von
8,9 kg/dm3 relativ schwer, was insbesondere bei Leichtbau-Ver
bundblechen ein großer Nachteil ist. Ein weiterer Nachteil ist
der Nickeldampf, der beim Schweißen immer entsteht und nach der
TRK nicht zugelassen ist.
Graphitpulver muß wegen seines hohen elektrischen Übergangswider
standes in hohem Volumenanteil (von 15-25 Volumenprozent) bei
gegeben werden, wodurch sich einige Eigenschaften der Kunststoff
kernschicht wie Haftung zum Deckblech, Dämpfungsfaktor, Schub
steifigkeit und Herstellbarkeit sowie die Güte des Schweißpunktes
durch Aufkohlung wesentlich verschlechtern. Ferner ist keine
identische Reproduzierbarkeit der Schweißpunkte zu erreichen. Die
Ausfallrate ist größer als 10%.
In einem Aufsatz von Akihiko Nishimoto et al unter dem Titel
"Weldable Vibration Damping Steel Sheet", abgedruckt in der
NKK Technical Review Nr. 53 (1988) Seite 10-18 wird eingehend
auf die Problematik des Widerstandsschweißens bei der Verarbei
tung von Schichtverbundwerkstoffen eingegangen. Dieser Litera
turstelle kann entnommen werden, daß die Art, der Volumenanteil
und die Korngröße des in der Kunststoffkernschicht verwendeten
Pulvers die entscheidenden Einflußgrößen für das elektrische Wi
derstandsschweißen des Verbundkörpers darstellen. Näher ausge
führt werden Untersuchungen unter Verwendung von Ni- oder Fe-
Pulver erwähnt, die allerdings auch noch keine zufriedenstellen
den Lösungen brachten, wie auch bereits oben z. B. zu Ni-Pulver
ausgeführt.
Aus der DE 34 26 770 A1 erhält man den Hinweis, daß das Zusetzen
von eisenhaltigen Partikeln wie z. B. Stahl oder Edelstahl zu
Dichtungsmassen, die zwischen zwei Metallstücken angeordnet sind,
das elektrische Widerstandsschweißen der Metallstücke miteinander
ermöglicht. Dabei handelt es sich aber nicht um fest zusammenge
fügte Schichtverbundstoffe, die aufgrund ihrer Beschaffenheit
entweder schallisolierend oder aber schubsteif sind und damit ein
geringeres Flächengewicht zu herkömmlichen Materialien aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wider
standsschweißbaren, dreischichtigen schwingungdämpfenden Verbund
werkstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf einfa
che Weise wie Vollblech widerstandsgeschweißt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspru
ches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen des Gegenstandes des Anspruches 1 sind
in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen.
Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daß andere Verfahren als die
Einmischung elektrisch leitender Pigmente in die Kunststoffkern
schicht wie z. B. die Verwendung von elektrisch leitenden Kunst
stofftypen, die Verwendung von Elektroden mit Körnerspitze oder
die Verwendung von Deckblechen mit Riffelung bzw. "höckerförmi
ger" Prägung nicht zum Ziele führen.
Die wenigen elektrisch leitenden Kunststoffe, die es gibt, haben
keinen ausreichenden Verlustfaktor, haften nicht ohne zusätzli
chen Kleber an den Deckblechen, sind sehr teuer und haben zudem
einen hohen elektrischen Übergangswiderstand. Sie kommen deshalb
für schweißbare Verbundwerkstoffe nicht in Betracht.
Elektroden mit Körnerspitzen aus Wolfram führten - obwohl ausrei
chend tiefe Körnerpunkte entstanden - zu keiner Punktverschwei
ßung, weil es bereits in der Niedrigstrom-Vorwärmphase zu einem
Abschmelzen der Körnerspitzen kam. Bei Schichtverbundwerkstoffen
mit einem glatten und einem "gehöckerten" Deckblech fanden zwar
aufgrund des elektrischen Kontaktes zwischen "Höckerspitzen" und
glattem Gegenblech Punktverschweißungen statt, jedoch sehr oft
nicht an der gewünschten Stelle, wo die Elektroden angesetzt wa
ren, sondern z. T. auch an benachbarten "Höckerpunkten", wo -
bedingt durch unvermeidliche Maßtoleranzen - zufällig ein niedri
gerer Stromwiderstand herrschte und der Schweißvorgang daher dort
zuerst ausgelöst wurde.
Aufgrund dieser Negativergebnisse wurden nun Versuche an Verbund
blechen mit unterschiedlich pigmentierten Kunststoffkernschichten
durchgeführt. Auch hier stellten sich teilweise negative Resulta
te ein: verschiedene Metallpulver wie Aluminium, Eisen oder Ma
gnesium führten zu überhaupt keiner Schweißbarkeit; die Oxid
schicht auf den Kornoberflächen war zu stark. Andere Metallpulver
wie z. B. Edelstahl oder Nickel erfüllten zwar die Zielvorgabe
der Schweißbarkeit ohne Nebenschluß, wiesen jedoch andere, be
reits genannte Nachteile auf.
Anhand der Fig. 1 wird die Erfindung im folgenden näher erläu
tert.
Die Fig. 1 zeigt ein mögliches Beispiel einer Widerstansschwei
ßung von Verbundwerkstoffen. Zwischen Schweißelektroden 1 sind
die zu verschweißenden Verbundwerkstoffe eingespannt. Die beiden
Verbundwerkstoffe sind gleich und bestehen aus je zwei Decklagen
Stahlblech 2 und je einer Kunststoffkernschicht 3. Diese Kunst
stoffkernschicht 3 ist mit Kornfraktionen 4 aus Ferrosiliziumpul
ver in geeigneten Volumenanteilen angereichert.
Die infolge des Mahlvorgangs gebrochene Kornform des Ferrosili
ziumpulvers, die sich deutlich von der sphärischen Kornform von
Nickelpulver unterscheidet, wirkt sich auf die elektrische Wider
standsschweißbarkeit nicht nachteilig aus. Die Tatsache, daß die
maximale Korngröße der Kornfraktion um bis zu 30% größer ist als
die Kernschichtdicke, ist kein Widerspruch. Infolge des Anpreß
druckes bei der Verbundwerkstoffherstellung brechen herausragende
Spitzen oder Ecken des Einzelkorns z. T. ab oder drücken sich
leicht in das Deckblech ein, so daß die Soll-Kernschichtdicke
exakt eingehalten wird.
Das gemahlene Ferrosiliziumpulver in geeigneter Kornfraktion und
in geeignetem Volumenanteil erfüllt somit alle Ansprüche und ge
währleistet eine 100%ige Punktschweißbarkeit der Verbundwerk
stoffe, und zwar ohne die Nachteile, die für andere Pigmentierun
gen - wie vorangehend erläutert - bestehen. Die reproduzierbare
Schweißpunktgüte steht einem normalen Stahlblech nicht nach. Mit
einer Wichte von 2,8 kg/dm3 ist Ferrosilizium sehr leicht, verur
sacht beim Schweißvorgang keine gesundheitsschädlichen Dämpfe und
ist ohne negative Rückwirkung auf die Schweißpunktgüte verarbeit
bar.
Verbundwerkstoffe der vorgenannten Art können somit problemlos
untereinander sowie auch mit Vollblech punktgeschweißt werden.
Claims (3)
1. Widerstandsschweißbarer, dreischichtiger schwingungsdämpfender
Verbundwerkstoff, der aus zwei Stahldeckblechen und dazwischen
liegender viskoelastischer Kunststoffkernschicht besteht, da
durch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkernschicht Ferrosili
ziumpulver in einer Menge von mindestens 3 Volumenprozenten
und in Korngrößen von 70 bis 130% der Dicke der Kunststoff
schicht in gleichmäßiger Verteilung enthält.
2. Widerstandsschweißbarer dreischichtiger Verbundwerkstoff nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkern
schicht Ferrosiliziumpulver in einer Menge von 5 bis 10 Volu
menprozent enthält.
3. Widerstandsschweißbarer dreischichtiger Verbundwerkstoff nach
den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunst
stoffkernschicht Ferrosiliziumpulver in Korngrößen von 90
bis 120% der Dicke der Kunststoffschicht enthält.
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