DE4444461A1 - Kombiniertes Ultraschall- und Widerstandspreßschweißverfahren - Google Patents

Description

Gemäß DIN 1910, Teil 5 gehört das konduktive Widerstandspreßschweißen zum übergeordneten Bereich des Widerstandsschmelzschweißens. Als wichtigste Vertreter gehören zum konduktiven Widerstandspreßschweißen das Punktschweißen, Rollennahtschweißen und das Buckelschweißen. Beim konduktiven Widerstandspreßschweißen werden elektrische Ströme durch den Fügebereich der miteinander zu verschweißenden Werkstücken geleitet. Die Werkstücke müssen hierbei eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, und sie müssen dabei durch ein Aufschmelzen miteinander verschweißbar sein. Mit dieser Methode werden bevorzugt metallische Werkstoffe miteinander verschweißt.

Beim elektrischen Stromdurchgang durch die zu verschweißenden Materialien werden diese durch elektrischen Stoffwiderstand und im Fügebereich durch den elektrischen Kontaktwiderstand so weit erwärmt, bis das Material aufschmilzt und im Fügebereich miteinander verschweißt. Der Schweißvorgang wird dabei durch einen von außen aufgebrachten Preßdruck, welcher die zu verschweißenden Werkstücke im Bereich der Fügezone zusammenpreßt, unterstützt.

Fig. 1 zeigt eine entsprechende Vorrichtung, wie sie zum Punktschweißen von Blechen Verwendung findet. Die zu verschweißenden Bleche (1) werden durch die Elektroden (2) im Fügebereich (3) mit einer Kraft (F) zusammengepreßt. Beim Schweißen liegt an den beiden Elektroden die elektrische Schweißspannung U_s, und es fließt dadurch ein elektrischer Strom durch die zu verschweißenden Bleche, welche dadurch im Fügebereich bis zur Verschweißungstemperatur erwärmt werden. Die verwendeten Elektroden sind wegen der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit in der Regel aus Kupfer oder Kupferlegierungen, wodurch die Wärmeerzeugung in den Elektroden selbst gering gehalten und die erzeugte Wärme dann auch relativ schnell abgeleitet werden kann. Die wichtigsten Schweißparameter sind hierbei die Anpreßkraft (F) und die Steuerung des elektrischen Schweißstromes hinsichtlich seiner Intensität und seines zeitlichen Verlaufes. Es werden dabei zum Schweißen sowohl geregelte als auch ungeregelte Gleichströme oder Wechselströme eingesetzt.

Neben dem Punktschweißen können beim Rollennahtschweißen auch kontinuierlich verlaufende Nähte geschweißt werden, wenn die Elektroden als Rollen ausgeführt sind.

Während das Schweißen von Blechen auf Eisenbasis keine Probleme bereitet, ist das Verschweißen von Blechen aus Aluminium nur bedingt möglich. Vor allem, wenn es darum geht, bei einer Serienfertigung Schweißqualitäten auf einem konstant hohen Niveau bei einer gleichzeitig geringen Streuung zu erzielen.

Verantwortlich für diese Schwierigkeiten sind die auf den Aluminiumoberflächen vorhandenen Oxidschichten. Diese bilden elektrische Isolatoren und sind mechanisch gesehen spröde und zudem auch thermisch stabil. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, müssen die Fügebereiche vorbehandelt werden. Dies kann zum einen mechanisch durch Schleifen oder Polieren geschehen oder chemisch durch das Aufbringen einer Beize. Dies bedeutet jedoch einen erhöhten Arbeitsaufwand und vor allem ist es notwendig, um bei einer nachfolgenden Lackierung der Teile eine gute Haftung der Lackierung auf der Metalloberfläche zu gewährleisten, daß noch vorhandene Reste der Beize mit relativ hohem Aufwand entfernt werden müssen.

Ziel dieser Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten, wie sie durch Oxidschichten vor allem beim Schweißen von Aluminium auftreten können, zu beseitigen.

Es gibt ein Schweißverfahren, von dem bekannt ist, daß es relativ unempfindlich gegenüber eventuell vorhandener Oxidschichten ist. Es handelt sich hierbei um das Ultraschallschweißen. Beim Ultraschallschweißen werden die von einem Schwingquarz (5) (Fig. 2) erzeugten Ultraschallschwingungen über eine Sonotrode (4) auf die zu verschweißenden Werkstücke übertragen. Diese liegen auf einem Amboß (6), dessen Aufgabe es ist, einen ruhenden Gegenpol zu bilden, das heißt dieser sollte möglichst wenig mit der Ultraschallfrequenz mitschwingen und gleichzeitig stützt er die Werkstücke hinsichtlich der von der Sonotrode übertragenen Anpreßkraft (F) ab. Der Schwingquarz wird durch eine angelegte Wechselspannung U_U zum Schwingen angeregt.

Durch die in den Fügebereich (3) (Fig. 2) übertragenen Ultraschallschwingungen werden auf Grund der Oberflächenrauhigkeiten der zu verschweißenden Werkstücke Reibungseffekte erzeugt, und es treten dabei gleichzeitig plastische Mikroverformungen auf, wodurch sich der Fügebereich bis zur Schweißtemperatur erwärmt und dadurch eine Verschweißung der Materialien in Verbindung mit der von außen wirkenden Preßkraft (F) erzielt wird. Bei diesem Vorgang werden vorhandene Oxidschichten aufgebrochen, zerteilt und zerrieben. Dieser Vorgang verstärkt sich zunehmend mit dem Grad, mit dem das Grundmaterial aufgeschmolzen wird. Besonders die spröden Oxidschichten werden dabei bevorzugt zerstört. Die Schwingungsamplituden der Sonotroden liegen dabei im Bereich von 3 bis 50 µm bei Frequenzen von ca. 15 bis 60 kHz. Die Schweißzeiten liegen zwischen ca. 0,1 und 3 Sekunden.

Stoffe mit einer relativ niedrigen Schmelztemperatur bzw. einer schlechten inneren Wärmeleitung können ohne Vorerwärmung direkt ultraschallgeschweißt werden. Hierzu zählen beispielsweise thermoplastische Kunststoffe. Ähnliches gilt für kleine Bauteile, wie elektrische Kontakte im Elektronikbereich. Bei größeren Bauteilen, wie zum Beispiel bei Karosserieblechen, ist eine Vorerwärmung erforderlich, weil die durch den Ultraschall erzeugte Wärme nicht mehr ausreicht, um ein Aufschmelzen des Fügebereiches zu erreichen. In solchen Fällen ist eine Vorerwärmung der zu verschweißenden Teile erforderlich. Eine Vorerwärmung von großen Teilen würde jedoch einen unverhältnismäßig großen Aufwand erfordern und ist in der Praxis deshalb kaum möglich.

Um jedoch Teile rationell ohne Vorerwärmung und trotz störender Oxidschichten miteinander Verschweißen zu können, wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 als neuartiges Verfahren eine Kombination von elektrischem Schweißen und Ultraschallschweißen vorgeschlagen. Durch diese Kombination lassen sich die Vorteile von beiden Verfahren vereinigen. Auf diese Weise kann das elektrische Widerstandspreßschweißen bzw. das Punktschweißen oder auch das Rollennahtschweißen auch bei einem Vorhandensein von störenden Oxidschichten gemäß Anspruch 3 zuverlässig durchgeführt werden. Durch den Ultraschallanteil werden die störenden Oxidschichten zerstört und durch den elektrischen Anteil wird in dieser Verbindung eine hohe Schweißqualität und Schweißleistung ermöglicht. Durch eine Überwachung der elektrischen Schweißparameter kann die Schweißqualität online geprüft und auch geregelt werden, weil jetzt mögliche Qualitätsschwankungen nicht mehr abrupt auftreten.

Eine solche Art der Qualitätsüberwachung wäre bei dem Ultraschallschweißen alleine nicht möglich.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit der das Ultraschallschweißen mit dem Punktschweißen kombiniert werden kann. Dabei bildet eine der Elektroden gemäß Anspruch 2 gleichzeitig die Sonotrode (7). Es gibt dabei grundsätzlich zwei verschiedene Arten zur Steuerung des Schweißvorganges. Entweder es wirken die Anpreßkraft F, die Ultraschallschwingungen und der elektrische Schweißstrom gleichzeitig oder zeitlich gegeneinander verschoben (Anspruch 4).

Fig. 4 stellt ein Funktionsprinzip dar, wie durch die Kombination von elektrischem Schweißen und Ultraschallschweißen kontinuierlich verlaufende Nähte geschweißt werden können. Dabei ist die kombinierte Sonotrode-Elektrode als umlaufendes Rad konzipiert, und die Gegenelektrode stellt gleichzeitig einen radförmig umlaufenden Amboß dar. Die kombinierte Sonotrode-Elektrode ist dabei beweglich in einer Halterung (10) aufgehängt und über die Achse (8) werden die Ultraschallschwingungen auf die Sonotrode übertragen.

Insgesamt gesehen ergibt sich durch die Kombination vom elektrisch konduktiven Widerstandspreßschweißen und dem Ultraschallschweißen ein neuartiges rationelles und hochwertiges Schweißverfahren, welches sich hervorragend für die Serienproduktion eignet. Es werden mit diesem Verfahren neue Anwendungsmöglichkeiten, wie dem Verschweißen von Aluminiumblechen erschlossen, wodurch sich vor allem beim Gehäuse-, Karosserie- und Leichtbau neue und kostengünstigere Möglichkeiten auftun, einen hohen Qualitätsstandard zu erzielen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verbesserung des Schweißverhaltens und der Schweißqualität beim Widerstandspreßschweißen und in diesem Zusammenhang auch beim elektrisch konduktiven Widerstandspreßschweißen, wie dem Punktschweißen oder dem Rollennahtschweißen dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit den Widerstandspreßschweißverfahren, wie dem konduktiven Widerstandspreßschweißen oder dem Punktschweißen oder dem Rollennahtschweißen der zu verschweißende Füge- bzw. Schweißbereich mit Ultraschall beaufschlagt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beim elektrischen Widerstandspreßschweißen verwendeten Elektroden gleichzeitig zur Ultraschall- und Stromübertragung zum Schweißbereich als kombinierte Sonotrode und Elektrode dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verfahren und den entsprechenden Vorrichtungen Aluminiumbleche und andere Bleche, welche das konduktive Widerstandspreßschweißen störende Oxidschichten bilden, verschweißt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall und der Schweißstrom zeitlich phasenverschoben oder synchron gesteuert oder geregelt werden.