DE60003497T2

DE60003497T2 - Verfahren zum elektrischen Verschweissen eines Werkstückes auf einem Verbundblech

Info

Publication number: DE60003497T2
Application number: DE60003497T
Authority: DE
Inventors: Patrick Le Gall
Original assignee: ARO CHATEAU DU LOIR; ARO SA
Current assignee: ARO CHATEAU DU LOIR; ARO SA
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2020-07-18
Also published as: US6294751B1; DE60003497D1; JP2001058274A; FR2796580B1; FR2796580A1; EP1072349B1; EP1072349A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verschweißen eines Werkstückes, wie einer Schraube oder eines Bolzens, um ein Loch eines Verbundbleches herum in dem Falle, daß dieses Blech eine Zwischenlage von praktisch isolierendem Material umfaßt zwischen den beiden Metallfolien. Diese Schraube oder dieser Bolzen weisen vorzugsweise gegenüber dem Blech einen ringförmigen Vorsprung auf oder sind selbst sphärisch, um eine Widerstandsschweißung zu vereinfachen.
Diese Zwischenlage aus praktisch isolierendem Material kann ein synthetisches Material, wie ein Polymer, sein und die Metallfolien können aus Flußstahl sein, z.B. zur Bildung von Motorgehäusen. Die Größenordnung der ins Spiel gebrachten Dicken können 5/100^stel mm für das Polymer betragen, was in diesem Falle daher ein sehr dünner Film ist und von 7/10^tel mm für die Metallfolien. Diese Bleche werden gewöhnlicherweise MPM-Bleche genannt.
Ein Problem stellt sich, wenn man die Köpfe von Schrauben oder Muttern auf derartige Bleche durch eine klassische Wi derstandsschweißung aufschweißen will, wobei das Blech zwischen zwei Elektroden mit der Zwischenlage des anzuschweißenden Stückes verpreßt wird: Der Strom kann nicht zwischen den Metallfolien hindurchpassieren, da der Polymerfilm eine perfekte Isolierung zwischen ihnen sicherstellt und im umgekehrten Fall, die erhebliche Erhöhung der Temperatur des Bleches um das Loch herum ruft eine Explosion dank der abrupten Verpulverung des Polymers hervor mit in bestimmten Fällen einer Perforation des Bleches.
Wenn man außerdem sehr lange Schweißzeiten bei moderater Intensität mit geschlossenen Elektrodenplatten auf einem einzigen MPM-Blech benutzt, stellt man fest, daß der Strom an unterschiedlichen Stellen in einer unsicheren Art und Weise hindurchtritt mit Zonen der sichtbaren Erwärmung, die sich auf der Oberfläche verschieben, ohne die Richtung der Elektroden zu nehmen und ohne systematisch an den Rändern des Verbundbleches zu beginnen, was die Wahrscheinlichkeit von internen Fehlern des MPM-Verbundbleches bedeutet und nicht besonders zufriedenstellend ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile der früheren Technik abzustellen und dabei ist ein Verfahren nach der Erfindung des eingangs definierten Typs dadurch gekennzeichnet, daß man eine Vorwärmoperation des genannten Bleches in der Nähe des Loches zur Entfernung des genannten praktisch isolierenden Materiales bewirkt und nachfolgend eine klassische Widerstandsverschweißung des genannten Stückes auf dem genannten Blech durchführt.
Für bestimmte Werkstücke, insbesondere die Köpfe von Schrauben mit relativ geringem Durchmesser, kann man die genannte Vorwärmoperation mittels Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen einer Konterelektrode, die auf dem Blech auf derselben Seite wie das anzuschweißende Stück in der Nähe des genannten Loches angedrückt ist, bewirken und einer Elektrode, die entweder an das genannte anzuschweißende Stück oder an ein spezielles Kontaktstück angedrückt ist, um es an Ort und Stelle zu halten, wenn man jegliches Risiko einer Verschlechterung des anzuschweißenden Stückes während der Phase der Vorerwärmung zu vermeiden wünscht.
Die Konterelektrode kann mit einer Dissymmetrie in bezug auf das Loch auf dem Verbundblech appliziert werden.
Bei anderen Werkstücken, z.B. für Schrauben mit relativ großem Durchmesser, ist es im Gegenteil vorteilhaft, wenn die genannte Gegenelektrode ringförmig ausgebildet ist und vollständig das anzuschweißende Stück oder das spezifische Kontaktstück rotationssymmetrisch umgibt, damit die Aufwärmung des Verbundbleches um das Loch herum gleichmäßig ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden als Beispiele, aber nicht einschränkend nachfolgend beschrieben mit Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, bei denen:
die 1 eine schematische Ansicht des Zustandes der Vorwärmung ist, wenn es sich bei dem anzuschweißenden Stück auf dem Blech um eine Schraube mit relativ geringem Durchmesser handelt;
die 2 eine schematische Ansicht des Zustandes der Vorwärmung ist, wenn es sich bei dem anzuschweißenden Stück auf dem Blech um eine Mutter mit relativ großem Durchmesser handelt;
die 3 und 4 Grafiken sind, die als Preferenzen die Möglichkeiten der Schweißung von Schraubenköpfen durch eine Wechselstromschweißung zeigen mit einem Druck von 4000 N bzw. 6000 N zwischen den Elektroden über eine oder zwei Dicken des nackten Bleches, wobei die Dauer der Schweißung (in Perioden des Stromes) auf den Abzissen und der Schweißstrom (in kA) auf den Ordinaten angezeigt ist;
die 5 und 6 Grafiken derselben Art für dieselben Drücke und Dauern der Schweißung zur Verschweißung der Köpfe von Schrauben an entsprechend der Erfindung vorgewärmten MPM-Blechen;
die 7, auf einer Grafik derselben Art, den Einfluß der Veränderung der Intensität der Vorwärmung für eine Schweißung einer Schraube unter dem Druck von 180 daN zeigt;
die 8 dieselbe Grafik wie diejenige der 3 bis 6 ist und die Möglichkeiten der Schweißung einer Mutter mit einem relativ großen Durchmesser unter dem Druck von 2000 daN zeigt; und
die 9 eine Schnittansicht durch eine Variante ist.
In 1 wird ein MPM-Blech mit 1 bezeichnet, das eine isolierende Zwischenschicht aus Polymer 2 zwischen den beiden Metallfolien 3 aufweist, deren entsprechende Dicken in der Größenordnung von denjenigen sein können, die weiter oben angegeben wurden. Ein Loch 4 in diesem Blech ist in einer Linie mit einem Durchbruch 5 in einem isolierenden Auflager 6 positioniert, auf dem das Blech liegt. Eine Schraube 7 mit einem relativ geringen Durchmesser erstreckt sich mit ihrem Gewindeteil 7a in den Durchbruch 5, sein Kopf ruht auf der oberen Oberfläche des Bleches 1. Auf derselben Oberfläche legt man um den Kopf der Schraube herum eine ringförmige Gegenelektrode 8. Ein metallisches Auflagerstück 9 ruht mit einem Teil auf dieser Gegenelektrode und mit seinem anderen Teil auf einer Isolierstütze 10 als Auflager auf dem Isolierträger 6.
Eine Elektrode 11 einer Schweißanlage, z.B. verbunden mit der positiven Klemme einer Stromquelle zur Vorheizung wird dann auf den Kopf der Schraube 7 aufgedrückt bis eine andere Elektrode 12 verbunden mit der Negativklemme der gleichen Quelle, auf das metallische Widerlagerstück 9 aufgedrückt wird, was durch Widerstandserwärmung die schnelle, aber nicht schlagartige Entfernung des Polymers 2 in der Zone um den Schraubenkopf herum bewirkt, ohne die Gefahr der Beschädigung des Bleches 1.
Wenn diese Phase der Vorwärmung beendet ist, zieht man den Isolierträger 6 zurück und drückt, um den Gewindeteil 7a der Schraube herum, eine klassische ringförmige Schweißelektrode auf das Blech 1, die in Verbindung mit der vorzitierten Elektrode 11 die Widerstandsverschweißung des Kopfes der Schraube auf dem Blech 1 sicherstellt, da der Strom zwischen den beiden metallischen Folien 3 fließen kann.
Bei der Anwendung, wie sie in 2 dargestellt ist, hat man angenommen, daß man auf dem Blech 1 ein Werkstück mit einem relativ großen Durchmesser aufzuschweißen wünscht, wie beispielsweise eine Mutter 13. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, das metallische Auflagerstück 9 durch ein ringförmiges Metallstück 9a zu ersetzen, durchsetzt von einem Block 14 und angepaßt an den Umfang dieses Loches auf der ringförmigen Gegenelektrode 8. Die Vorwärmung wird dann durch das Aufsetzen einer positiven Elektrode 11 auf der Mutter 13 und zwei Negativelektroden 12a und 12b auf dem Rand des ringförmigen Stückes 9a sichergestellt, wobei wie vorangehend der Durchgang des elektrischen Stromes um die Mutter 13 herum durch den Widerstandseffekt das Verschwinden des Polymerfilmes in diesem Bereich hervorruft, ohne Beschädigung des Bleches 1. Nachfolgend kann man in bekannter Weise nach Entfernung der isolierenden Auflager 6 die Schweißung vornehmen.
Es sei bemerkt, daß man, wenn man die Gefahr einer Beschädigung des anzuschweißenden Stückes 7 oder 13 vermeiden will, diese während der Vorwärmphase ersetzen kann durch Kontaktstücke, die die gleiche Stelle einnehmen, wie die anzuschweißenden Stücke.
In den 3 und 4 hat man die Parameter und die Schweißbarkeitszonen eines Schraubenkopfes auf einer Dicke eines nackten Bleches durch Punkte für eine Schweißzeit von 4,8 und 12 Perioden dargestellt und durch Kreuze für dieselbe Dauer bei zwei Dicken eines solches Bleches. Man sieht, daß der Bereich der Schweißung relativ groß für eine einzige Dicke ist, während der Bereich der Schweißung von zwei Dic ken sehr beschränkt ist, dies bei einem Druck von 4000 N (3) und von 6000 N (2) zwischen den Elektroden. Andererseits ist die Funkensprühgrenze, dargestellt durch Sternchen, in der gleichen Größenordnung für die zwei Drücke.
Nach Vorwärmung und für die gleichen Drücke 4000 N bzw. 6000 N ( 5 und 6) stellt man eine sehr erhebliche Verschiebung der Schweißintensität unterhalb von 20000 A fest und einen viel größeren Bereich für die Schweißung von zwei Dicken vor den Projektionen. Die Schweißung bei 6000 N zeigt einen Schweißbereich von zwei Dicken größer als denjenigen von 4000 N.
Auf der Grafik der 7 hat man die Intensität der Vorwärmung und ihre Dauer modifiziert, aber der Effekt bleibt unverändert bei 1800 N. Die Kurve liefert die Parameter, die für die folgende Schweißung Parameter zu einer offenen Vorwärmung führen. Man stellt fest, daß die Vorwärmzeit ohne Einfluß auf die Schweißung reduziert werden kann: Die MPM-Bleche können mit den zwei zu schweißenden Dicken aufgeknöpft werden.
Die 8 zeigt schließlich die eingesetzten Regelungen für die Schweißung nach der Vorwärmung einer Mutter mit relativ großem Durchmesser unter einem Druck von 20000 N.
Auf den 3, 6 und 8 korrespondiert der Bereich der Punkte mit einer Verklebung, der Bereich der Kreuze mit einer Verschweißung von zwei Dicken von Blechen und der Bereich der Sternchen mit einer Expulsion.
Wie in 9 dargestellt, ist es in gleicher Weise möglich, die Vorbereitung der Werkstücke durch Vorheizung an verschobenen Doppelpunkten auszuführen und ihre Verschweißung auf die gleiche Art und Weise: Zuerst stellt bei geringem Druck eine konzentrische obere Elektrode 11 die Vorwärmung sicher, daraufhin wird die externe Ringelektrode 8 angehoben und eine Verschweißelektrode nimmt ihren Platz auf dem Stück, welches es zu verschweißen gilt, ein.

Claims

Verfahren zum elektrischen Verschweißen eines Werkstückes, wie einer Schraube oder eines Bolzens (7, 13) um ein Loch (4) eines Verbundbleches (1) herum, welches eine Zwischenlage eines praktisch isolierenden Materiales (2) aufweist, eingeschlossen zwischen zwei Metallfolien (3), dadurch gekennzeichnet, daß man eine Vorwärmoperation des genannten Bleches (1) in der Nähe des Loches (4) zur Entfernung des genannten praktisch isolierenden Materiales bewirkt und nachfolgend eine klassische Widerstandsverschweißung des genannten Stückes (7) auf dem genannten Blech (1) durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die genannte Vorwärmoperation mittels Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen einer Konterelektrode (8), die auf dem Blech (1) auf derselben Seite wie das anzuschweißende Stück (7, 13) in der Nähe des genannten Loches (4) angedrückt ist, bewirkt und einer Elektrode (11), die entweder an das genannte anzuschweißende Stück (7, 11) oder an ein spezielles Kontaktstück angedrückt ist, um es an Ort und Stelle zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Gegenelektrode (8) ringförmig ausgebildet ist und vollständig das anzuschweißende Stück (7, 13) oder das spezifische Kontaktstück umgibt.