DE839397C - Vorrichtung zur elektrischen Widerstandsschweissung von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur elektrischen Widerstandsschweißung von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Wilderstandsschweißutg von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen, wie Aluminium und Magnesium und Legierungen, welche nennenswerte Mengen dieser Metalle enthalten.
• X-lan hat schon sehr früh versucht, Leichtmetalle und Ixichtmetallegierungen durch elektrische @@'vdenstan@lsschweißung zu schweißen. Insbesondere versuchte matt, die bekannten Verfahren der Punktschweißun.g und der Punktschweißung mit eng nebeneinanderliegenden Punkten oder Nahtschweißun,g auf die Schweißung von diesen Metallen und Legierungen anzuwenden. Es hat sich herausgestellt, daß c:s sehr schwierig ist, mit diesen \@crfaliren brauchbare Schweißungen zu erzielen. In der Tat wird infolge der relativ .lohen thermischen und elektrischen Leitfähdgkeit und der großen spezifischen Wärmen dieser Metalle und Legierungen die Verwendung eines merkliich großen SchweiSstroms nötig, um das lokale Schmelzen dieser Metalle zu erzielen. Die aufzuwendenden e.lektriischen Energien müssen noch erhöht werden, um die Kontaktwiderstände zu über«oinden, die eine Folge der Oxydhäutchen sind, mit denen sich <fiese Metalle und Legierungen immer fast augenblicklich bedecken, so daß es außerordentlich schwer isst, zu schweißen, ohne dias Material zu verbrennen; selbst wenn dies gelingt, so wachsen @die aus dien betreffenden Material bestehenden Kristalle während der Sehweißung sehr rasch. Die Schweißpunkte und Idas Material in der direkten Nachbarschaft derselben wenden dabei brüchig und verlieren alle ihre guten mechanischen Eigenschaften, welche die verwendeten Metalle oder Legierungen vor der Schweißung besaßen. Um dieses Wachsen der Metalle zu verhindern" hat inan schon vorgeschlagen, das Material, welches die Schweißung bilden soll und/oder das Material, <las sich unmittelbar daneben befindet, während der Schweißoperation mechanischen Schwingungen von relativ hoher Frequenz auszusetzen, vorzugsweise Ultraschallschwingungen. Zu diesem Zweck hat man Vorrichtungen vorgesehen, welche einen 1la,gnetost,riktionsschwingungsgenerartor enthalten, welcher in dien Gegend der Schweißung durch Kompression auf die zu bearbeitenden Werkstücke wirkt, um ihnen mechanische Schwingungen zu erteilen. In diesen bekannten Vorrichtungen enthäht der genannte Schwingungsgenerator einen magnetostriktiven Stahlstab, welcher eine der Schweißelektroden oder deren Halter darstellt, und an welchem man mit Hilfe eines um seine Achse herum angeordneten Solenoides ein starkes magnet(iscluesWechselfeld von der gewünschten Frequenz anlegt.
• In der Praxis hat es sich jedoch herausgestellt, daß die bis heute vorgeschlagenen Vorrichtungen mit einem schweren Fehler behaftet sind. Nach einiger Zeit, und meistens schon räch einer kurzen Zeitspanne, funktionieren sie nicht mehr zufriedenstellend, und die Schweißungen werden dann brüchig. Man hat 'festgestellt, daß dies davon herrührt, daß der magnetostriktive Stab nicht mehr den Sitz von mechanischen Längsschwingungen bildet, obwohl das Solenoid immer noch von einem Wechselstrom von derselben Frequenz und derselben Stärke wie vorher durchflossen wird. Nach einer bestimmten Anhalte- und Ruhezeit funktioniertdie Vorrichung wieder, aber nur für einen beschränkten Zeitraum usw.
• Obwohl es biss Meute noch nicht gelungen ist, (fieses Phänomen vollständig zu lösten und zu erkUiren, hat man festgestellt, daß dieser Vorfall nicht die Folge einer merklichen Erhitzung dies Stahlstabes ist. Es handelt sich also nicht um einfache Verluste durch WirbeIs.tröme oder um einfache Hysteresisverluste noch um Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Stabes infolge des Anwachsens seiner Temperatur. Man könnte verinuten, daß in diesen Vorrichtungen der Stab magnetischen und/oder mechanischen Beanspruchungen unterworfen Mist, welche die betreffenden linearen Bereiche der ihn bildendem magnetostriktiven Materie überschreiten, und daß er sich polarisiert, d. h. dlaß ,seine magnetomechanischem Eigenschaften eine fortschreitende und vorübergehende Änderung erleiden.
• Wie es auch sei, so ist doch die Ausmcrzung dien durch dieses Phänomen hervorgerufenen Betriebsunregelmäßigkeiten von entscheidender Wichtigkeit für die elektrische Widerstand@scliil-ei3ung von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen.
• Es ist nun experimentell festgestellt worden, diaß eine Vorrichtung des obergenannten Typs dann regelmäßig selbständig und zufriedenstetlend arbeitet" wenn man in dais magnetostriktive Organ mindestens einten urmagnetischen Zwischenraum einbringt. Dieser Zwischenraum muß in der Längsrichtung dieses Organs vorgesehen sein ,und sich mindestens über den größeren Teil dieser Länge erstrecken. Der obenerwälinte Zwischenraum kann zwei stark verschiedene Formen haben und erstreckt sich bis auf die unten bezeichneten Grenzfälle, welche besser verständlich machen, was man darunter versteht a) Wenn das magnetostriktive Organ röhrenförmig ist, so kann der o@bengenannte Zwischenraum durch einen Schlitz gebildet sein, der in der Wand des Rohres entlang einer seiner Erzeugenden angebracht ist und sich über mindestens den größeren Teil der Rohrlänge erstreckt. Dieser Zwischenraum trennt die beiden Ränder dhesses Schlitzes und kann eine beliebige Breite aufweisen, welche sogar Null werden kann, wenn die beiden Ränder sich berühren, unter der Bedingung, draß der Schlitz immer eine Unterbrechung dien Kontinuität in der mechanischen Struktur des Organquerschnitts darstellt; b) das magnetostriktive Organ kann aus zwei Elementen bestehlen, die mechanisch voneinander über mindestens den größeren Teil ihrer Länge durch einen Zwischenraum von beliebiger Breite getrennt sind; c) das magnetostriktive Organ kann aus einem Elemenbenbündel bestehen, dessen Elemente ebenfalls mechanisch über mindestens den größeren Teil ihrer Länge durch Zwischenräume beliebiger Breite voneinander getrennt sind.
• Diese Feststellung hat die Verwirklichung einer verbesserten Vorrichtung zur elektrischen Widerstandsschweißung von Leichtmetallers und Leidiftmetallegierungen von oben beschriebenem Typ ermöglicht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weilst der Magnetostriktionsschwingungsglenerator ein magnetostriktives Organ von länglicher Form auf, das mit mindestens einem unma:ischen Zwischenraum versehen ist, der sich über dien größeren Teil der Länge dieses Organs, erstreckt.
• Vorteilhaft werden die mechanischen Schwingungen des magnetostriktiven Organs von mindestens einem Solenoid erregt, das um mindestens einen Teil des Querschnitts des genannten Organs angeordnet und mit einer Wechselstromquelle von einer Frequenz von mindestens 5oo Perioden je Sekunde verbunden ist. Die Vorrichtung kann mehrere Solenoid e enthalten, und diese können in Reihe oder parallel oder nach einer kombinier Reihenparallelschaltung geschaltet sein. Wenn das Organ auf mindestens einem Teilseinen Länge mehrere .genügend voneinander abstehende Elrnxnte aufweist, so kann jedes dieser Elemente oder Elementengruppen von einem oder mehreren Solenoden umgaben sein, wobei jedes Solenoid die gleiche Zahl von Elementen einschließt und jedes Element von einer gleichen Zahl Solenoidien Bergeben ist. Jedes Solenoid kann auch nur ein einziges Elemernt umgeben.

  Das tna"netostriktiNe Organ kann um eine

  Schweißeltktrode der \'orriclitung angeordnet sein,

  wol)ci sich die @'orderfl:iche einer seiner Enden

  gegeit das \\'<rikstück abstützt, und zwar unaf>-

  liängig von dein Druck, den diese l-lektrocle auf

  (las genannte Stück ausiiht.

  Die \'orrichtun@g kamt zwei inagnetostriktive

  Organe tunfasseti. die je mit einer der zwei

  Schweißelektroden der Vorrichtung @-ereinigt sind.

  Diese beiden Organe können nun in Phase

  schwingen gelassen werden, um die Werkstücke

  gleichzeitig von zwei entgegengesetzten Flächen

  dieser Stücke aus zttsainnienzudriicken;.sie können

  aber auch in Gvgenl)lias,e schwingen gelassen

  werden, wobei dann (las eine in dein Augenblick

  atti kiirzustcli ist, wo das andere am längsten ist.

  Die Vorrichtung kann auch zwei mit einer ihrer

  I:lektrc>(len verbuncienc magttetastriktive Organe

  umfassen, wovon (las eine Organ zum Tragen

  dieser Elektrode und (las andere um diese Elek-

  trode und die ol)engenauntcii zwei in Gegenphase

  (uler in Phase schwingenden Organ° lieruin an-

  geordnet ist.

  Vorteilhaft ist die 1, re(lu,eiuz des die Solenoide

  (lurchfließen den Wechselstroms gleich der Eigen-

  frequenz des tnagnetostriktiven Organs für die

  titeclralt,isc.lieti l.ii.tigsschwitigungen oder gleich der

  Il:ilfte dieser Frequenz.

  I)ie zeichtiung stellt teilweise zwei beispiels-

  weise Ausführuti@gsforinett ,der erfindungsgemäßen

  Vorricbrtun;- dar.

  Fig. i ist ein teilweise geschnittener Aufriß

  einer I#ael;trode, die zur erstell Ausführungsform

  der erfin,lungsgetnäßen \'<>rricli,tung gehört;

  Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie 2-2 der

  Fig. 1 ,

  l#ig. 3 ist eilt te#ilwcise gescln)ittener Aufriß

  einer Scliw-eil.telektr(><le, welche einen "feil der

  zweiten :\it;fiilirungsfonn dieser Vorrichtung

  bil(let, und

  I,- ig. .+ ein Schnitt nach (ler l.itiie 4-a der Fig. 3.

  In (ler Fig. i kann die eigentliche Schweiß-

  elektr(>cle t durch eincit in diese I?Iektroi-Le durch

  eine I)olilxlgewin(lehülse 2 wild das Gummirohr 3

  eintrerende und aus dieser Elektrode durch den

  Anschluß 4 austretende \\'asserzirkullation gekühlt

  werden; (lK#r Anschluß 4 stellt ebenfalls mit einem

  Guminicchlauch in Verbiailung. Diase Elektroode

  sowie die genannte Hülse l)estehen aus Kupfer. Die

  1#:l #ktr(>cle ist auf eine IZingsclieilre 5 aufgeschraubt,

  in welche St:il>e E) einfnetiietct sind. Diese Stäbe

  sind an ihrem anderen Ende mit einer Hülse 7 ver-

  nietet, durch welche der Gummischlauch 3 hin-

  durclifÜhrt und die einett Ansatz und einen zylin-

  (li-ischttt Teil aufweist, welcher dazu vorgesehen

  i":t. (lie 1;lektrt>:le und deren Halter in einer Kon-

  sole () »iitt,els eitler Nutte r i i und eines Bolzens to

  zu lrefe#tigc#n. I)ic Fig. 2 zeigt die Anordnung der

  St:il;; 0, w rlebe zusannnen finit der Hälse 7 lind der

  Kingsclicilie 3 das tnagtit=tostriktive Organ bildest.

  I)itse Figur zeigt auch (leil Kautschukschlauch 3,

  ((er zwi.sclten den genannten Stäben verläuft. Das

  magnetostriktive Organ 1>e:stelit aus Nickel und ist

  roll einem Solenoiid 12 umgeben (Fig. i), das gleichachsig ist mit,diesem Organ. Die die Stäbe 6 trennenden Zwischenräume stellen unmagnetische Zwischenräume dar, die sich über den größeren Teil der Länge des Organs erstrecken.
• Das magnetostriktive Organ bildet gleichzeitig dien Träger der Elektrode 1, 2 und überträgt ihr die in dhesem Organ durch einen Wechselstrom, den man durch ,das Solenoid 12 kreisen läßt, erzeugten mechanischen Schwingungen. Die Elektrode 1, 2 verleiht ihrerseits den Werkstücken mechanische Schwingungen, indem siie diese Stücke im Rhvth@musdieser Schwingungen gegen eine andere feste, nicht @dargestellte Elektrode drückt.
• In der teilweise in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Kup£erelektrodie 13 auf das Ende eines geschlitzten Nickelrohres 14 gesetzt. Diese Elektrode. sowie auch das Rohr, welches gleichzeitig den Elektrodienträger und das magnetostriktive Organ bilidet, werden beide durch eine 1)ei 15 durch ein in die Wand des magnetostriktiveui Organs geschweißtes und in der Nach-I>arschaft der Elektrode 13 mündendes Rohr eindringende Wasserzirkulation gekühlt. Dieses Kühlwasser tritt bei 17 durch dien Ansatz 18 wieder aus. Die Fig. .I stellt das Nickelrohr 1¢ im Querschnitt dar, deasen Schlitz einen unmagnetischen, sich über den größeren Teil der Länge dieses Organs erstreckenden Zwischenraum bildet, Dieser Schlitz ist durch. einte Gummidichtung ig verschlossen, welche durch die Elasitizität des Rohres und durch die Fassung,der Elektrode 13 in dem Schlitz festgeklemmt ist. Diese Figur zeigt auch (-las zentrale Rohr 16 im Querschnitt. Das Ganze kann auch in einer Konsole befestigt sein, und das magnetostriktive Organ ist ebenfalil,s von einem in der Fig. 3 teilweise dlangestallten Solenoid 2() umgeben.
• Mit den l;e,scliriel)enen Vorrichtungen hat man vorzi'tgliche Schweißungen von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen erzielen könnten, insbesondere von Aluminium und Aluminiumlegierungen; Mikrophotographien von nach idiesem bekannten Verfahren geschweißten Werksstücken haben gezeigt, daß man auf diese Weise das vorgesteckte Ziel erreicht., d. h. die Verhinderung dies Wachisenis der Kristalle. Je nach ider Frequenz und der Amplitudie der so übertragenen mechanischen Schwitggungen gelingt es, die Feinslruktur der die Schweißpunkte bildenden Materie zu kontrollieren, und diese Struktur kann .so fein, wenn nicht sogar noch feiner gehalten werden wie die Struktur des vor der Schweißun.g verwendeten Materials.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zur elektrischen Widersta idsschNeeil.iung von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen, welche mindestens einen Magnetostriktionsschwitigungsgenerator enthält, welcher auf die Werkstücke in dier Gegend der Schweißung durch Kompression wirkt, um Minen mechanische Schwingungen zu verleihen, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Generator mit mindestens einem magnetostriktiven Organ von länglicher Form versehen ist, welches mindestens einen sich über mindestens den größeren Teil der Länge des Organs erstneckenden unmagnetlischen Zwischenraum aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i. dadurch ge- kennzeichnet, daß das genannte Organ aus einem Rohr besteht, das mindestens mit einem den genannten Zwischenraum bildenden Schlitz versehen ist.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des genannten Rohres kreisförmig i1s@t. q. `-orrichtung nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des genannten Rohres durch eine Anzahl von Zwischenräumen in mindestens zwei gleiche l;lein°ite unterteilt ist, wobei die genannte Anzahl gleich ist der Anzahl dieser Elemente. ,3. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß .das genannt` Organ aus mehreren gleichen, zvlinderförinigen Elementen lk,stelit. die in den Ecken mindestens eines Vielecks angeordnet sind. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen i und 5, dadurch gekennzeichnet, (laß das genannte Ongan außerdem ein solches Element aufweist, das im Mittelpunkt des genannten Vielecks a.n geordnet ist. 7. Vorrichtung nach,clen Ansprüchen i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Vieleck ein regelmäßiges Vieleck ist. B. Vorrichtung nach den AnsprücIlien i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente an jedem ihrer Enden mechanisch untereinalider verbunden sind. c). Vorrichtung nach Anspruch i. dadurch gekenuzeiclinet, daß sie mindestens ein Solenoid aufweist, (las um mindestens einen Teil des Querschnitts des genannten Organs angeordnet und mit einer Wechselstroinquelle von einer Frequenz von mindestens 5oo Perioden je Sekunde verbunden ist. i o. Vorrichtung nach den Ansprüchen i und o, dadurch gekennzeichnet, daß las genannte Solenoid um das genannte Organ als Ganzes angeordnet ist. i i. \'orrichrung nach den Ansprüchen 1, und 9, dadurch gekcnn,zeichnet, d aß sie mehrere Solenoiid e aufweist, von denen jedes eine gleiche Anzahl Elemente umgibt, und daß jedes Element von einer gleichen Allzahl von Solenoi,den umgeben ist. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 5, 9 und i i, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Solenoild ein einziges Element umgibt. 13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 5, 9 und 1 i, dadurch gekennzeichnet, daß die genarm@@en Solenoide in Reihe geschaltet sind. 14- Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Organ dazu vorgersehen ist, um eine der Schweißelektroden der Vorrichtung zu tragen. 15. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Organ um eine dier Schweißelektroden der Vorrichtung angeordnet ist und daß die Vorderfläche einer seiner Enden sich ;gegen eines der genannten Werkstücke abstützt, und zwar unabhängig von dem durch diese . Elektrode auf das genannte Stück ausgeübten Druck. 16. Vorrichtung nach Anspruch i, dadhzrch gekennzeichnet, claß sie Mittel zum Kühlen: des genannten Organs aufweist. 17. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei niagnetostriktive Organe aufweist. die je mit einer der beiden Schweißelektroden der Vorrichtung verbunden sind. 18. Vorrichtung nach den Ansprüchen i und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die bei genannten Organe in Phrase schwingen, um die Werkstücke gleichzeitig, ausgehend von zwei en bgeb ngesetzten Flächen dieser Stücke, zu pressen. i9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß dik beiden obengenannten Organe in Gegenphase schwingen, wobei das eine in dem Augenblick am kürzesten ist, wo das andere am längsten ist. 20. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß von zwei inagnetostriktiven Organen eines die Elektrode trägt und das andere um die Elektrode herum angeordnet isst und sich gegen das Werkstück abstützt und daß diese beiden Organe in Gegenphase schwingen. 21. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des von der genannten Stromquelle gelieferten Wechselstronis gleiich ist der Eigenfrequenz des genannten Organs für die ineclianischen Längsschwingungen. 22. Vorrichtung- nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des von der genannten Stromquelle gelieferten Wechselstroms gleich ist der Hälfte der Eigenfrequenz des genannten Organs für die mechanischen Läng s-schwi igungen.