DE4038016A1 - Verbundelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundelektrode für das Widerstandsschweißen, insbesondere von verzinkten Stahlblechen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Das Widerstandsschweißen von verzinkten Stahlblechen mit herkömmlichen Kupfer-Chrom-Punktschweißelektroden führt zu unbefriedigenden Ergebnissen der Qualität der Schweißverbindung.

Um die Qualität der Schweißverbindung und die Standzeit der Schweißwerkzeuge zu verbessern, wurden versuchsweise andere Elektrodenwerkstoffe (z. B. Wolfram) und Kombinationen verschiedener Werkstoffe (z. B. Kupfer-Chrom und -Wolfram) eingesetzt.

Die Kombinationselektroden sind so aufgebaut, daß entweder

• - auf einen Kupfer-Chrom-Grundkörper ein flaches Wolframteil aufgelöst wird oder
• - ein zylinderförmiges Wolframteil in den Kupfer-Chrom- Grundkörper eingepreßt wird.

Die freie Oberfläche des Wolframteils bildet die Kontaktstelle zum zu verschweißenden Werkstück. Die erzielten Resultate sind so, daß sie insbesondere in der Massenproduktion der Automobilindustrie nicht befriedigen. Die elektrischen Eigenschaften dieser Kombinationselektroden sind unbefriedigend. Zwischen dem Kupfer-Chrom-Grundkörper und dem Wolframteil entstehen bei der Herstellung der Kombination und durch Verschleißerscheinungen während des Gebrauchs der Werkzeuge verschieden große Übergangswiderstände. Deren Größe ist technologisch nicht beherrschbar.

Nun sind aber gerade die Widerstandsverhältnisse im Stromkreis, der durch das Widerstandsschweißgerät, die Schweißwerkzeuge und die Werkstücke gebildet wird, von grundsätzlicher Bedeutung für die Funktion des Verfahrens, die Qualität der Schweißverbindung und die Ökonomie des Verfahrens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbundelektrode für das Widerstandsschweißen herzustellen, deren elektrische und mechanische Eigenschaften eine hohe Standzeit des Schweißwerkzeuges gewährleisten. Diese Eigenschaften sollen bei der Herstellung des Schweißwerkzeuges definiert herstellbar sein. Bei Gebrauch des Schweißwerkzeuges sollen die elektrischen und mechanischen Eigenschaften über einen langen Zeitraum konstant bleiben und konstante Schweißwerte ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbundelektrode zum Widerstandsschweißen aus einem Grundkörper aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff und aus einer Schicht aus einem mechanisch und thermisch verschleißfesten Werkstoff hergestellt ist. Erfindungswesentlich ist, daß die verschleißfeste Schicht auf einem Oberflächenbereich des Grundkörpers durch Festkörperreaktionen verbunden ist. Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus einer Kupfer- Legierung. Es sind aber auch andere Elektrodenwerkstoffe nach DIN 44 759 verwendbar.

Die Verbindung durch die Festkörperreaktionen ist in einem ersten Fall durch den direkten Kontakt der Oberflächen der Verbindungspartner - Werkstoff des Grundkörpers und Werkstoff der verschleißfesten Schicht - erzeugt. Die Verbindung durch die Festkörperreaktion ist in einem zweiten Fall durch die Vermittlung einer Zwischenschicht aus mindestens einer dritten Materialart, die die Festkörperreaktionen zur Verbindungsbildung zwischen dem Grundkörper und der verschleißfesten Schicht unterstützt, hergestellt. Die Zwischenschicht baut die Diffussionsbarriere der verschiedenen Werkstoffe ab. Die Diffussionsvorgänge werden unterstützt. Die Zwischenschicht ist in einem ersten Fall durch eine Vorbehandlung auf die mindestens eine korrespondierende Oberfläche des Grundkörpers und/oder der verschleißfesten Schicht aufgebracht.

Die Zwischenschicht ist in einem zweiten Fall durch das Einlegen mindestens einer Zwischenschicht zwischen die korrespondierenden Oberflächen der Verbindungspartner eingebracht.

Die erfindungsgemäße Verbundelektrode ist aus dem Grundkörper und die verschleißfeste Schicht ist aus einem geometrisch bestimmten Körper aufgebaut. Die beiden Teile sind zwischen sich gegenüberstehenden vorbehandelten Oberflächen durch Diffussionsschweißen miteinander verbunden. Die verschleißfeste Schicht bedeckt nur einen Oberflächenbereich und steht gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers hervor. Der Grundkörper ist aus einer Kupfer-Legierung, einer Silberlegierung oder einem anderen üblicherweise zum Schweißen verwendeten Elektrodenwerkstoff hergestellt. Die verschleißfeste Schicht ist vorzugsweise aus Wolfram oder einer Legierung dieses Stoffes hergestellt. Zur Unterstützung der Festkörperreaktionen der Verbindungspartner ist es vorteilhaft mindestens eine Zwischenschicht aus einem den Diffussionsvorgang begünstigenden Stoff, vorzugsweise aus Silber, Nickel, Titan oder Tantal zwischen dem Grundkörper und der Schicht einzubringen. Das erfolgt durch Beschichten mindestens eines Oberflächenbereiches eines Verbindungspartners oder durch Zwischenlegen einer dünnen Folie aus einen der oben genannten Stoffe beim Diffussionsschweißen.

Die verschleißfeste Schicht steht aus der Oberfläche des Grundkörpers hervor und ist mit ihrer freien Oberfläche die Kontaktstelle zu einem zu verschweißenden Werkstück.

Der verschleißfeste Werkstoff wird in einer weiteren Variante der Erfindung durch Bedampfen, Sputtern oder chemischen Abscheiden als dünne Schicht auf der Oberfläche des Grundkörpers hergestellt. Um die Festkörperreaktionen des abgeschiedenen verschleißfesten Werkstoffes zu begünstigen, wird vorteilhafterweise vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang mit dem verschleißfestem Werkstoff mindestens eine Zwischenschicht auf den Grundkörper aufgebracht. Vorteilhafterweise wird das gleiche Beschichtungsverfahren verwendet. Die verschleißfeste Schicht ist auf hervorstehende Oberflächenbereiche des Grundkörpers aufgebracht, so daß die Oberfläche der verschleißfesten Schicht in Richtung auf die zu schweißenden Werkstücke hervorsteht und den Stromübergang zu dem Werkstück bildet.

Die Verbundelektrode ist in verschiedenen geometrischen Formen herstellbar, so daß insbesondere die üblichen Widerstandsschweißverfahren ausführbar sind. Die Verbundelektrode ist als Einzelelektrode ausgeführt, die eine zylindrische Form hat. Sie besteht aus dem zylinderförmigen Grundkörper, mit dessen einer Deckfläche die verschleißfeste Schicht verbunden ist, wobei der Durchmesser der zylindrischen verschleißfesten Schicht (Stromübergangsfläche) 2 mm bis 10 mm beträgt.

Die Verbundelektrode ist auch als ein Gebilde mit flächenhafter Ausdehnung herstellbar und ist so für das Widerstandsbuckelschweißen einsetzbar.

Die Verbundelektrode ist als Einzelelektrode in einer rollenförmigen Form ausgeführt. Sie besteht aus dem zylinderförmigen Grundkörper, mit dessen Umfangsfläche die verschleißfeste Schicht verbunden ist, wobei die Breite der mindestens einen zylindrischen verschleißfesten Schicht am äußeren Durchmesser (Stromübergangsstelle) 2 mm bis 10 mm beträgt.

Die Erfindung wird an Hand von mehreren Schweißtechnologien zum Widerstandsschweißen beschrieben. Die Festkörperreaktion der Verbindungspartner wird durch Diffussionsschweißen realisiert.

Es zeigen

Fig. 1: Verbundelektrode mit diffussionsgeschweißter Wolfram-Scheibe,

Fig. 2: Verbundelektrode mit diffussionsgeschweißtem Wolfram-Einsatz,

Fig. 3: Verbundelektrodenform zum

• a) Einzelpunktschweißen
• b) Rollnahtschweißen
• c) Mehrfachelektrodenschweißen.

Fig. 4: Oberflächenprofil der Stromübergangsstelle der Schweißelektrode

• a) Elektrode mit eingesetzter Wolfram-Scheibe, nicht diffussionsgeschweißt
• b) Verbundelektrode mit diffussionsgeschweißter Wolfram-Scheibe

Gemäß Fig. 1 besteht die Verbundelektrode aus einem zylinderförmigen Grundkörper 1, der an seinem einen Ende einen Kegelstumpf aufweist. Auf die Kegeldeckfläche ist die verschleißfeste Schicht 2, beispielsweise eine Wolfram- Scheibe, durch Diffussionsschweißen stumpf aufgebracht. Zwischen dem Grundkörper und der Wolfram-Scheibe entsteht eine Diffussionsschicht 3.

Das Diffussionsschweißen erfolgt im Vakuum, indem die beiden Verbindungspartner unter Temperatureinfluß für eine bestimmte Zeit einem bestimmten Druck ausgesetzt werden. Die so in den Fügeflächen ausgelößten atomaren Austauschvorgänge verbinden die Partner innig miteinander.

Die mechanischen und elektrischen Kennwerte der erfindungsgemäßen Verbundelektrode überraschen wegen ihrer vergleichsweise günstigen Werte.

Die Qualität der Schweißverbindungen, gekennzeichnet durch die Scherbruchfestigkeit, differiert um etwa um eine Scherzugkraft von 0.5 kN bei einem mittleren Wert von 3,5 kN.

Der Härteverlauf in der Schweißstelle der Werkstücke und ihrer Umgebung ist gleichmäßiger. Die Vickershärte eines Bleches wird mit HV = 100 gemessen. Der Härteanstieg in der Schweißstelle liegt bei Schweißungen mit der erfindungsgemäßen Verbundelektrode in der Größenordnung von HV = 100. Der Härteanstieg in den wärmebeeinflußten Bereichen ist etwa 1/3 geringer als bei Verwendung bekannter Elektroden.

Das Korrossionsverhalten der mit den erfindungsgemäßen Verbundelektroden punktgeschweißten verzinkten Stahlbleche ist wesentlich günstiger, da der Zinkabtrag beim Schweißen geringer ist.

Fig. 3a) zeigt sich gegenüberstehende Verbundelektroden. Sie drücken die zu verbindenden Werkstücke 4, 5 zusammen. Durch einen Stromfluß zwischen dem Elektrodenpaar entsteht an der Berührungstelle der freien Wolfram-Scheiben- Deckflächen mit den Werkstücken 4, 5 eine Schweißstelle.

Fig. 2 zeigt eine Verbundelektrode, deren Grundkörper 1 an seinem kegelförmigen Ende eine Einsenkung hat. Die Einsenkung hat den Durchmesser der eingesetzten verschleißfesten Schicht 2 (Wolfram-Scheibe). Die Tiefe ist so, daß die Wolfram-Scheibe bis einige Millimeter in den Grundkörper eingesenkt ist und die Wolframscheibe gleichzeitig einige Millimeter gegenüber der Kegeloberfläche hervorsteht.

Fig. 3b) zeigt Verbundelektroden und ihre Anordnung zu Rollnahtschweißen. Mit dem zylinderförmigen mittig drehbar gelagerten Grundkörper 1 ist die verschleißfeste Schicht 2, im Beispiel ein Wolfram-Ring, durch Diffussionsschweißen aufgebracht.

Fig. 3c) stellt eine Verbundelektrode als Mehrfachanordnung mehrerer Einzelelektroden dar.

Fig. 4 stellt Oberflächenprifile verschieden aufgebauter Widerstandsschweißelektroden dar. Mit beiden Varianten wurden 4000 Punktschweißungen unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Teilbild a) stellt das Oberflächenprofil der Stromübergangsstelle einer bekannten Elektrode dar, die so aufgebaut ist, daß in einen Grundkörper aus elektrisch gut leitenden Material ein zylinderförmiges Wolframteil eingepreßt ist. Teilbild b) stellt das Oberflächenprofil der Stromübergangsstelle der erfindungsgemäßen Verbundelektrode dar. Der Vergleich der Bilder a) und b) zeigt, daß die erfindungsgemäße Verbundelektrode nahezu keine Verschleißerscheinungen zeigt. Die Verbundelektrode hat auch nach 4000 Schweißungen eine nahezu plane Oberfläche ohne Ausbrüche.

Diese Tatsache ist aber für die Qualität der Widerstandsschweißverbindung von grundsätzlicher Bedeutung, da die Oberflächenbeschaffenheit der Stromübergangsstelle maßgeblich die Widerstandsverhältnisse bestimmt und damit einen der wichtigsten Verfahrensparameter beeinflußt.

Resultat dies überraschenden Effektes ist eine erheblich längere Standzeit der Schweißelektroden. Die Verbundelektrode ermöglicht in einem automatischen Fertigungsprozeß, beispielsweise in der Automobilindustrie erhebliche Einsparungen.

Bezugszeichen

1 Grundkörper
2 verschleißfeste Schicht
3 Diffussionsschicht
4 Werkstückteil
5 Werkstückteil

Claims (13)

1. Verbundelektrode zum Widerstandsschweißen, gekennzeichnet durch

• - einen Grundkörper aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff und
• - eine Schicht aus einem mechanisch und thermisch verschleißfesten Werkstoff auf einem Oberflächenbereich des Grundkörpers die durch Festkörperreaktionen miteinander verbunden sind.

2. Verbundelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine direkte Verbindung einer Oberfläche des Grundkörpers mit der Schicht durch Festkörperreaktionen.

3. Verbundelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verbindung einer Oberfläche des Grundkörpers mit der Schicht durch Festkörperreaktionen, wobei mindestens eine Zwischenschicht aus mindestens einer weiteren Materialart zwischen die Oberfläche des Grundkörpers und die Schicht eingebracht ist.

4. Verbundelektrode nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Zwischenschicht, die durch eine Vorbehandlung des Grundkörpers und/oder der Schicht durch

• - das Aufbringen mindestens einer Zwischenschicht auf mindestens eine der korrespondierenden Oberflächen oder durch
• - das Einlegen mindestens einer Zwischenschicht zwischen die korrespondierenden Oberflächen eingebracht ist.

5. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine mit dem mechanisch und thermisch verschleißfesten Werkstoff durch

• - Bedampfen,
• - Sputtern,
• - chemisch Abscheiden hergestellte Schicht auf einem Teil der Oberfläche des Grundkörpers.

6. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - den Grundkörper und
• - die Schicht aus einem geometrisch bestimmten Körper die auf einem Oberflächenbereich des Grundkörpers zwischen sich gegenüberstehenden Oberflächen durch Diffussionsschweißen miteinander verbunden sind.

7. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Grundkörper, der

• - aus einer Kupferlegierung,
• - einer Silberlegierung oder
• - einem anderen üblicherweise zum Schweißen verwendeten Elektrodenwerkstoff hergestellt ist.

8. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die verschleißfeste Schicht, die vorzugsweise

• - aus Wolfram oder
• - einer Legierung dieses Stoffes hergestellt ist.

9. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Zwischenschicht aus einem den Diffussionsvorgang begünstigenden Stoff, vorzugsweise aus

• - Silber,
• - Nickel,
• - Titan oder
• - Tantal zwischen dem Grundkörper und der verschleißfesten Schicht.

10. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Grundkörper aus gut leitendem Werkstoff, dessen mit der verschleißfesten Schicht beschichteten Oberflächenbereiche aus der Oberfläche des Grundkörpers in Richtung auf die zu schweißenden Werkstücke hervorstehen.

11. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zylindrische Form mindestens einer Einzelelektrode, bestehend aus dem mindestens einen zylinderförmigen Grundkörper, mit dessen jeweils einer Deckfläche die verschleißfeste Schicht verbunden ist, wobei der Durchmesser der mindestens einen zylindrischen verschleißfesten Schicht an der freien Deckfläche (Stromübergangsfläche) 2 mm bis 10 mm beträgt.

12. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine flächenhafte, glatte Ausdehnung der Verbundelektrode.

13. Verbundelektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine rollenförmigen Form einer Einzelelektrode, bestehend aus dem zylinderförmigen Grundkörper, mit dessen Umfangsfläche die verschleißfeste Schicht verbunden ist, wobei die Breite der mindestens einen zylindrischen verschleißfesten Schicht am äußeren Durchmesser (Stromübergangsfläche) 2 mm bis 10 mm beträgt.