DE69203655T2 - Verfahren zum Schweissen von Kupferteilen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zur Verbindung eines ersten und eines zweiten massiven Kupferteils ohne Zusatzwerkstoff entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• In elektrischen Schaltgeräten bestehen zahlreiche massive Teile aus Kupfer, dessen gute elektrische Leitfähigkeit bekannt ist. Sämtliche Verbindungen dieser, insbesondere zur Stromzufuhr dienenden massiven Kupferteile, müssen bei hoher Temperatur durch Löten erfolgen. Der verwendete Zusatzwerkstoff ist normalerweise eine Silberle gierung, deren Schmelzpunkt unter dem des Kupfers liegt und die einen sorgfältigen Umgang erfordert. Das Kupfer wird zwangsläufig erhitzt und erfährt eine physikalische Umwandlung durch Glühen sowie eine äußere Veränderung aufgrund der lötbedingten Zunderbildung. Die Teile müssen anschließend gereinigt und chemisch nachbehandelt werden, um ihr ursprüngliches Aussehen wiederherzustellen. Das Kupfer gewinnt mit der Zeit einen Teil seiner Härte zurück.
• Gemäß den 1983 von der American Society for Metals, Ohio, U.S.A. und im Oktober 1987 von Haywards Health, GB veröffentlichten Druckschriften "Metals Handbook, Vol. 6, Edition 9, Seite 503-524 und 548-556 bzw. "Welding and Metal Fabrication", Vol. 55, No. 7, Seite 365-368 ist ein Schweißverfahren zur Verbindung eines ersten und eines zweiten Kupferteils ohne Zusatzwerkstoff bekannt, bei dem zumindest das erste Teil in Form einer Platte oder Schiene vorliegt und eine Vorderseite zur Verbindung mit dem zweiten Teil sowie eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite aufweist und das Verfahren aus folgenden Schritten besteht:
• - Umformung des ersten Teils zur Herstellung einer Auswölbung auf der genannten Vorderseite des ersten Teils sowie einer entsprechenden Vertiefung mit im Vergleich zur Auswölbung geringerem Querschnitt auf der genannten Rückseite des ersten Teils,
• - Umformung des zweiten Teils zur Herstellung einer Auswölbung an einer zur Verbindung mit dem ersten Teil vorgesehenen Stelle,
• - Einsetzen des ersten Teils in eine Widerstandsschweißpresse mit einer ersten und einer zweiten auf Kupferbasis hergestellten Elektrode, wobei die genannte Vorderseite der zweiten Elektrode gegenüberliegt und die Rückseite gegen die erste Elektrode geführt wird,
• - Aufsetzen des zweiten Teils auf die zweite Elektrode der Schweißpresse, derart daß die beiden Auswölbungen in der Längsachse der Presse liegen und punktförmig miteinander in Kontakt gebracht werden,
• - Erwärmung der beiden Teile durch Herstellung eines elektrischen Stromflusses zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, derart daß der Strom durch das erste Teil, die beiden in Kontakt befindlichen Auswölbungen und das zweite Teil fließt.
• - Zusammenpressen der beiden Teile mittels eines durch die erste und/oder die zweite Elektrode aufgebrachten Drucks zur Stauchung der beiden Auswölbungen und Durchführung der Verschweißung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindung von massiven Kupferteilen durch ein einfaches Verfahren ohne Zusatzwerkstoff und mit gezielter Steuerung der Temperaturerhöhung in der Kontaktzone zwischen Elektrode und Werkstück zu ermöglichen.
• Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren ist im Patentanspruch 1 beschrieben.
• Das Verfahren wird in einer Widerstandsschweißpresse durchgeführt, wobei die Erwärmung der Teile lediglich in der Zone der Auswölbungen erfolgt. Aufgrund des niedrigen elektrischen Widerstands des Kupfers ist seine Erwärmung durch einen Stromfluß besonders schwierig, und diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß durch Konzentration des Stromflusses auf eine begrenzte Zone, d.h. auf die punktförmige Kontaktfläche zwischen den beiden Auswölbungen gelöst. Die in dieser Weise auf die Auswölbungszone begrenzte Erwärmung bewirkt das Aufschmelzen dieser Auswölbungen, die dann unter dem Druck der Schweißpresse verformt und abgeflacht werden, so daß ein Kontakt zwischen den beiden Teilen hergestellt wird. Auf diese Weise erfolgt eine Verschweißung der beiden Teile ohne Zusatzwerkstoff, wobei keinerlei Gefahr besteht, das Kupfer zu glühen oder zu verunreinigen. Die Höhe des Schweißstroms sowie der Schweißdruck und die Wirkdauer des Stroms hängen selbstverständlich von der Form sowie von den Abmessungen der zu fügenden Teile ab, für die Verbindung von zwei Stromzuführungsschienen aus Kupfer kann jedoch als Beispiel ein Strom in der Größenordnung von 100 000 A und einer sehr kurzen Wirkdauer von etwa einer Zehntel Sekunde angenommen werden. Während des Schweißvorgangs werden die Teile mit einem Druck von einigen Hundert Dekanewton beaufschlagt. Die sehr kurze Wirkdauer des Schweißstroms begrenzt die Wärmeverteilung sowie die thermische Einwirkzone im Werkstück.
• Die zu lösende Schwierigkeit liegt in der Erwärmung der Elektroden der Schweißpresse sowie der Kontaktzone zwischen den Elektroden und dem Werkstück. Die Elektroden bestehen aus einem Kupferwerkstoff, insbesondere aus Kupferchrom, und weisen daher einen niedrigen elektrischen Widerstand sowie einen geringen Erwärmungsgrad auf. Das Problem bezüglich der Erwärmung der Kontaktzone wird durch Gewährleistung einer ringförmigen Kontaktfläche gelöst, die erfindungsgemäß durch einen ringförmigen Eindruck um die auf der Rückseite des Teils ausgebildete Vertiefung hergestellt wird. Der Kontaktdruck wird auf diese Weise gleichmäßig auf eine ringförmige Zone verteilt, so daß punktförmige Kontakte vermieden werden, die zu örtlichen Erwärmungen und Verschweißungen führen könnten. Der Eindruckdurchmesser ist beispielsweise etwa halb so groß wie der Elektrodendurchmesser und die Eindrucktiefe beträgt z.B. einige Zehntel Millimeter.
• Die Auswölbung ist vorteilhaft als Kugelkalotte mit einer Höhe von einigen Millimetern ausgebildet und wird bei einem schienen- oder plattenförmigen Teil durch Tiefziehen hergestellt, so daß auf der Gegenseite eine entsprechend geformte Vertiefung entsteht. Die beiden zu verbindenden Teile oder Platten werden mit den sich gegenüberliegenden und an den Scheitelpunkten berührenden Auswölbungen übereinandergelegt und anschließend in die Schweißpresse eingesetzt. Danach werden die Elektroden auf die Teile abgesenkt und beaufschlagen diese mit einem Druck, der zu gering ist, um die Auswölbungen wesentlich zu verformen. Diese Verformung tritt allerdings während des Stromflusses ein, der die Auswölbungen durch Stromwärme erhitzt und ein örtliches Aufschmelzen des Kupfers bewirkt. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren eignet sich insbesondere für die Verbindung von Schienen oder Platten mit Dicken von bis zu mehreren Zentimetern, es läßt sich jedoch auch für Teile anderer Form, insbesondere für Rotationsteile einsetzen, deren Stirnseite mit anderen, stangen- oder plattenförmigen Teilen verbunden werden muß. Die Auswölbungen werden dabei auf jede geeignete Art und Weise, z.B. durch einfache mechanische Bearbeitung hergestellt, und die Elektroden der Schweißpresse werden an die Form dieses Teils angepaßt, indem sie beispielsweise als Spannbacken eines Schraubstocks zum Festklemmen des Teils ausgebildet sind. In diesem Fall wird eine ausreichend große Einspannkraft für das Teil gewählt, um jeden punktförmigen Kontakt zu vermeiden. Da die Wirkrichtung dieser Kraft nicht in der Ebene der Auswölbungen verläuft, besteht keinerlei Gefahr einer vorzeitigen Abflachung dieser Auswölbungen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Schweißpresse mit Darstellung der zu verbindenden Teile in ihrer Einsetzposition zwischen den beiden Elektroden vor dem Verschweißen;
• Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht der beiden Teile aus Fig. 1;
• Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2;
• Fig. 4 eine zu Fig. 1 analoge Ansicht einer Ausführungsvariante;
• Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 aus Fig. 4.
• Die Figuren zeigen eine Schweißpresse 10 mit einer feststehenden unteren Elektrode 11 sowie einer beweglichen oberen Elektrode 12, die über einen nicht dargestellten Mechanismus mit der unteren Elektrode 11 in Kontakt gebracht werden kann. Auf die Seite 13 der unteren Elektrode 11 ist eine zweites, schienenförmiges zu verbindendes Teil 14 aufgelegt, dessen der Elektrode 11 abgewandte Seite eine Auswölbung 15 aufweist. Ein erstes zu verbindendes Teil 16 ist auf das zweite Teil 14 aufgelegt und weist ebenfalls eine Auswölbung 17 auf, die sich auf der Auswölbung 15 des gegenüberliegenden Teils abstützt und diese berührt. Das erste Teil 16 ist ebenfalls schienenförmig, oder auch plattenförmig ausgeführt, und die einzige elektrische Kontaktstelle zwischen den beiden zu verbindenden Teilen 14, 16 befindet sich an den Auswölbungen 15, 17. Die Elektroden 11, 12 sind an eine Starkstromquelle 18 angeschlossen, und der Schweißvorgang erfolgt durch Schließen der Elektroden 11, 12 sowie Aufbringen eines hohen Drucks von beispielsweise einigen Hundert Dekanewton. Unmittelbar nach dem Schließen der Presse wird unter Aufrechterhaltung des Drucks ein hoher Strom über die Elektroden 11, 12 und die Teile 14, 16 geleitet, und es ist leicht erkennbar, daß der Strom zwangsläufig über die Kontaktzone der beiden Auswölbungen 15, 17 fließt, wobei es zu einer Konzentration des Stroms in dieser Zone und einer örtlichen Erwärmung sowie einer Aufschmelzung des die Auswölbungen bildenden Metalls kommt. Die Wirkdauer ist außerordentlich kurz und beträgt beispielsweise einige Zehntel Sekunden, so daß jede übermäßige Erwärmung der zu verbindenden Teile 14, 16 verhindert wird. Zwei schienenförmige Stromzuführungsanschlüsse können z.B. unter Einsatz eines Stroms von 90 000 A bei einer Wirkdauer von einer Zehntel Sekunde und einem auf die Teile wirkenden Preßdruck von 750 Dekanewton miteinander verschweißt werden. Selbstverständlich richten sich diese Werte nach der Form und der Dicke der zu verbindenden Teile 14, 16.
• Die Auswölbungen können auf jede geeignete Art und Weise, z.B. durch einfaches Tiefziehen eines schienen- oder plattenförmigen Teils hergestellt werden, wodurch auf der der Auswölbung gegenüberliegenden Seite eine Vertiefung 19 entsteht, die einen geringeren Querschnitt aufweist als die Auswölbung 15, 17. Die Figuren 2 und 3 zeigen Auswölbungen 15, 17 in Form einer durch Tiefziehen hergestellten Kugelkalotte, wobei diese Form der Auswölbungen 15, 17 jedoch selbstverständlich auch anders ausgebildet sein kann und als einzige Bedingung eine quasi-punktförmige Kontaktzone vorhanden sein muß. Um jede Vertiefung 19 herum ist ein ringförmiger Eindruck 25 geringer Tiefe ausgebildet, derart daß die Elektrode 11, 12, die einen größeren Querschnitt aufweist als dieser Eindruck 25, auf eine reduzierte verteilte Fläche des um den Eindruck 25 verlaufenden Rands 26 wirkt. Der Durchmesser des Eindrucks 25 ist größer als der Durchmesser der Auswölbung 15, 17 und beispielsweise etwa halb so groß wie der Durchmesser der Elektrode 11, 12. Die Tiefe des Eindrucks 25 ist gering und beträgt beispielsweise einige Zehntel Millimeter.
• Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Ausführungsvariante zur Verbindung der Stirnfläche 21 eines Rotationsteils 20 mit einer Schiene 16. Aufgrund seiner Länge kann das Teil 20 nicht zwischen die beiden Elektroden 11, 12 einer Standardpresse eingesetzt werden, und erfindungsgemäß ist die untere Elektrode als Schraubstock mit Spannbacken 22 ausgebildet, deren Einspannflächen 23 in ihrer Form an die Umlauffläche des Teils 20 angepaßt sind. Die Stirnfläche 21 des Rotationsteils 20 weist eine Auswölbung 24 auf, auf der die Auswölbung 17 des Teils 16 aufliegt. Der Schweißvorgang läuft auf die oben beschriebene Art und Weise ab und erlaubt eine Befestigung der Schiene 16 auf der Stirnfläche des Rotationsteils 20. Die Verbindung von Teilen unterschiedlicher Form ist selbstverständlich möglich, die einzige Bedingung, die erfüllt sein muß, ist ein guter elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen den Teilen und den Elektroden, um ein Verschweißen der Teile auf den Elektroden zu verhindern.
• Die Erfindung ist selbstverständlich für Teile auf Kupferbasis, insbesondere für Kupferlegierungen anwendbar, und die optimalen Schweißparameter lassen sich auf einfache Weise durch eine kristallographische Analyse der Schweißverbindung bestimmen. Die sehr kurzzeitige örtliche Erwärmung verhindert ein Glühen, so daß sämtliche mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben, und das Fehlen eines Zusatzwerkstoffs verhindert die Zunderbildung oder das Auftreten sonstiger Verunreinigungen, die die elektrischen Leitungseigenschaften beim Kontakt mit anderen Teilen beeinträchtigen könnten.

Claims (4)

1. Schweißverfahren zur Verbindung eines ersten (16) und eines zweiten (14, 20) massiven Kupferteils ohne Zusatzwerkstoff, wobei zumindest das erste Teil (16) in Form einer Platte oder Schiene vorliegt und eine Vorderseite zur Verbindung mit dem zweiten Teil (14, 20) sowie eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite aufweist und das Verfahren aus folgenden Schritten besteht:

- Umformung des ersten Teils (16) zur Herstellung einer Auswölbung (17) auf der genannten Vorderseite des ersten Teils sowie einer entsprechenden Vertiefung (19) mit im Vergleich zur Auswölbung (17) geringerem Querschnitt auf der genannten Rückseite des ersten Teils,

- Umformung des zweiten Teils (14, 20) zur Herstellung einer Auswölbung (15, 24) an einer zur Verbindung mit dem ersten Teil (16) vorgesehenen Stelle,

- Einsetzen des ersten Teils (16) in eine Widerstandsschweißpresse mit einer ersten (12) und einer zweiten (11) auf Kupferbasis hergestellten Elektrode, wobei die genannte Vorderseite der zweiten Elektrode gegenüberliegt und die Rückseite gegen die erste Elektrode geführt wird,

- Aufsetzen des zweiten Teils (14, 20) auf die zweite Elektrode (11, 12) der Schweißpresse, derart daß die beiden Auswölbungen in der Längsachse der Presse liegen und punktförmig miteinander in Kontakt gebracht werden,

- Erwärmung der beiden Teile durch Herstellung eines elektrischen Stromflusses zwischen der ersten (12) und der zweiten (11) Elektrode, derart daß der Strom durch das erste Teil, die beiden in Kontakt befindlichen Auswölbungen und das zweite Teil fließt,

- Zusammenpressen der beiden Teile mittels eines durch die erste und/oder die zweite Elektrode aufgebrachten Drucks zur Stauchung der beiden Auswölbungen und Durchführung der Verschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Umformungsphase des ersten Teils (16) darüber hinaus die Herstellung eines die genannte Vertiefung (19) umgebenden, ringförmigen Eindrucks (25) von begrenzter Tiefe umfaßt und

- daß die erste Elektrode (12) eine größeren Querschnitt aufweist als der genannte Eindruck (25) und ausschließlich auf den um den genannten Eindruck (25) verlaufenden Randbereich wirkt.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkdauer des Stroms etwa eine Zehntel Sekunde, bei einer Stromstärke in der Größenordnung von 100 000 A und einem Druck von einigen Hundert Dekanewton beträgt.

3. Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige zweite Teil (14) so ausgebildet ist, daß es an seiner Rückseite eine der Auswölbung (15) entsprechende und einen geringeren Querschnitt als diese aufweisende Vertiefung (19) sowie einen, die Vertiefung (19) umgebenden ringförmigen Eindruck (25) mit begrenzter Tiefe aufweist und daß die Rückseite des zweiten Teils auf die zweite Elektrode (11) aufgelegt wird, die einen größeren Querschnitt aufweist als der genannte Eindruck (25) und auf den Randbereich des Eindrucks wirkt.

4. Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil (20) in eine als Schraubstock ausgebildete zweite Elektrode (22) eingesetzt wird, in den das zweite Teil mit einer Druckkraft eingeklemmt wird, die einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt gewährleistet.