Verfahren zum Befestigen metallischer. Elemente, die mit Oberflächenschichten bedeckt sind, mittels Widerstandsschweissung auf ein Uhrzifferblatt und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens In der metallverarbeitenden Industrie stellt sich oft das Problem, Metallteile auf Oberflächen zu be festigen, die mit Schutz- oder Isolierschichten, aber auch mit Fett-, Oxyd-, Lack- oder Zierschichten versehen sind. Diese Schichten verhindern das an sich sehr rationelle und wirtschaftlich überlegene Widerstands-Schweissverfahren und erforderten bis her die Nietung oder andere teuere Verbindungs prozesse, wenn nicht vorgezogen wurde, die Werk stücke mindestens an den Schweissstellen entspre chend zu reinigen.
Eine solche Reinigung verteuert aber den Arbeitsprozess und ist in gewissen Fällen nur mit grosser Mühe durchführbar. Im speziellen ist dies der Fall bei der Fabrikation von Uhrzifferblät tern.
Es ist zwar bereits ein Verfahren zur Herstel lung von Uhrenzifferblättern mit getrennt hergestell ten, erhabenen Zeichen bekannt, bei welchen die Zeichen auf ihrer Bodenfläche mit spitzen Vorsprün gen versehen werden, die dazu dienen, die üblicher weise auf dem Zifferblatt aufgebrachte isolierende Schutzschicht während der Schweissung zu durch stossen. Auf diese Weise lassen sich jedoch keine re- produzierbaren Qualitätsschweissungen und bei ver hältnismässig dicken und zähen isolierenden Schich ten erst recht keine definierten, für eine gute Ver schweissung erforderlichen Durchbrüche durch die isolierende Schicht erzielen.
Bei der bekannten Ultraschallschweissung würde zwar eine dünne isolierende Schicht durch die me chanische Vibrationsbewegung mehr oder weniger zerstört werden, jedoch findet auf diese Weise keine definierte Durchbrechung dieser Schicht statt, und bei Vorhandensein stärkerer und zäherer Schichten wird die Qualität der erzielten Schweisssteile beein trächtigt.
Keines der bisher bekannten Verfahren erlaubt es jedoch, auf einfache und zuverlässige Weise und ohne Beeinträchtigung der Qualität der Schweissstelle isolierende Deckschichten in definierter Weise voll ständig zu durchstossen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches das zuletztgenannte Problem löst und welches es erlaubt, die Schweissung selber bei vollständig bewegungslos gehaltenen zu verschweissenden Teilen durchzufüh ren, so dass eine mögliche Lichtbogenbildung sowie die Entstehung von Brandstellen, welche das äussere Aussehen der zu verschweissenden Teile beeinträch tigen könnten, mit Sicherheit vermieden werden.
Ausgehend von einem Verfahren zum Befestigen metallischer Elemente, die mit Oberflächenschichten bedeckt sind, mittels Widerstandsschweissung auf einem Uhrzifferblatt, wobei an mindestens einem der miteinander zu verschweissenden Elemente die mit dem anderen Element in Berührung kommende Oberfläche mit Erhöhungen versehen ist, kennzeich net sich die Erfindung dadurch, dass beide Elemente unter elastischem Druck zusammengepresst werden und dass zwischen diesen Elementen eine relative, im wesentlichen tangential zur Berührungsfläche der Elemente gerichtete Vibrationsbewegung erzeugt wird, durch die die Oberflächenschicht von den ge nannten Erhöhungen durchbrochen wird,
dass hier auf ein für die Schweissung geeigneter, elastischer Anpressdruck auf die Elemente ausgeübt wird und endlich die Elemente an den durch die Erhöhung gebildeten Kontaktstellen durch kurzzeitige elektri sche Stromimpulse verschweisst werden.
Nachstehend werden die zur erfolgreichen Durchführung dieses Verfahrens nötigen Bedingun gen beschrieben.
Die Höhe der Erhöhungen soll mindestens gleich der Dicke der zu durchbrechenden Oberflächen schicht plus mindestens 0,1 mm sein. Die Reserve von wenigstens 0,1 mm ist nötig, weil im Moment des Schweissens die Erhöhungen etwas in die Ober fläche des Grundmetalles einsinken und infolge Schweissdruck und Temperatur auch etwas defor miert werden. Trotzdem soll das aufzuschweissende Element die Oberflächenschicht nicht berühren.
Die mechanische Härte der Erhöhungen soll natürlich mindestens so gross sein wie diejenige der zu zerstörenden Oberflächenschicht.
Die Form der Erhöhungen ist aus Herstellungs gründen für viele Fälle vorzugsweise kreiskegelför mig. Auch andere Formen, wie z. B. die Pyramiden form, kommen natürlich in Frage. Wesentlich ist, dass der Querschnitt der Erhöhungen gegen den Be rührungspunkt hin immer abnimmt.
Der Anpressdruck für die Vibration richtet sich nach Grösse und Härte der Erhöhungen sowie nach der zu durchbrechenden Schicht. Der spezifische Druck an den Berührungspunkten soll so gewählt sein, dass die Erhöhungen nicht zerstört werden, auch wenn sie während kurzer Zeit auf dem Grund metall des Gegenelements reiben. Der Druck soll bei Einsinken der Erhöhungen aufrechterhalten blei ben, muss also elastisch sein.
Die Amplitude der Vibrationsbewegung beträgt je nach Anwendungsfall 0,01-l mm. Sie ergibt sich aus den Abmessungen der Erhöhungen, welche ih rerseits durch die Grösse der zu schweissenden Ele mente festgelegt sind. Die weggearbeitete Fläche in der Oberflächenschicht soll so gross sein, dass die Erhöhungen die Schicht während des Schweissens nicht berühren, da eine Beeinträchtigung des Schweissprozesses, z. B. Verunreinigung der Schweiss linse durch Partikeln oder Gase aus der erhitzten Zone der Oberflächenschicht, vermieden werden soll. Die Amplitude der Vibrationsbewegung wird deshalb mit Vorteil nicht zu klein gewählt.
Bei runden oder pyramidenförmigen Erhöhun gen ist die Vibrationsbewegung vorzugsweise kreis förmig, und zwar derart, dass aus der Ausgangslage in einer kleinen Spirale in die kreisförmige Vibra- tionsbewegung übergegangen wird. Die notwendige tangentiale Vibrationskraft pro Erhöhung liegt in den meisten Fällen in der Grössenordnung der ver tikalen Anpresskraft pro Erhöhung.
Die Vibrationsfrequenz bestimmt zusammen mit dem zulässigen Anpressdruck die Dauer des Vibra- tionsprozesses. In vielen Fällen kommt man mit einer relativ kleinen Anzahl Vibrationen aus. So ge nügen z. B. etwa 100 Vibrationen ohne weiteres zum Durchbrechen von Lackschichten. Bei einer Vibra- tionsdauer von 1 Sekunde kann somit mit der sehr niedrigen Frequenz von 100 p/sek. gearbeitet wer den. Solche Vibrationsfrequenzen sind sehr einfach realisierbar.
Vielfach wird verlangt, dass die aufzuschwei ssenden Elemente mit grosser Genauigkeit positioniert werden. Am Ende des Vibrationsprozesses sollen deshalb die Werkstücke in eine ganz bestimmte Lage zueinander gebracht werden. Auch hat man, wie schon erwähnt, Interesse, dass die Erhöhungen beim Schweissprozess in der Mitte der freigearbeiteten Flä che stehen und die Oberflächenschicht nicht berüh ren (Gasabgabe und ästhetische Gründe).
Der Schweissdruck pro Erhöhung wird so ge wählt, dass diese in keinem Falle schon in kaltem Zustande deformiert wird, sondern erst bei höherer Temperatur. Der Druck richtet sich somit nach den Abmessungen der Erhöhungen, nach der Festigkeit des Materials und nach der Schweisszeit. Je kürzer die Schweisszeit ist, desto mehr bleibt die Wärme in der Schweissstelle konzentriert, und desto höher kann der Druck gewählt werden. Der Schweissdruck ist in den meisten Anwendungsfällen höher als der Druck während des Vibrationsprozesses. Bei der Schweissung sinken die Erhöhungen in das geschmol zene Grundmetall der Gegenfläche ein und erleiden selbst gewisse Abschmelzungen und Deformationen.
Der Schweissdruck muss also ebenfalls elastisch sein, um während des Schweissprozesses wirksam zu blei ben, und dies auch bei sehr rascher Annäherung der Elemente im Moment des Schweissens.
Die Anzahl der Erhöhungen richtet sich nach der gewünschten Totalfestigkeit. Bei einem ver schweissten Querschnitt von 0,1 mm2 in Messing wurden Zug- und Schubfestigkeiten von mehr als 2 kg pro Erhöhung gemessen.
Eine Maschine zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens soll auf Grund obiger Ausfüh rungen also folgende Merkmale aufweisen: 1. Teile zur automatischen Zuführung und Posi tionierung der zu schweissenden Elemente, 2. wählbarer, elastischer Anpressdruck für jedes Element während des Vibrationsprozesses, 3. wählbare, mit grosser Genauigkeit eingehaltene Amplitude der Vibration, 4. wählbare Frequenz der Vibration, 5. wählbare Zeitdauer des Vibrationsprozesses, 6.
Positionierung der Elemente am Ende des Vibrationsprozesses; derart, dass die Erhöhungen in der Mitte der freigearbeiteten Stelle in der Oberflächenschicht stehen; 7. wählbarer, elastischer Schweissdruck für jedes Element, B. wählbare Schweisszeit, 9. wählbare Schweissenergie, die unabhängig von äusseren Einflüssen mit grosser Genauigkeit ein gehalten wird, 10. automatisches Aufheben des Schweissdruckes am Ende des Prozesses und Zuführung neuer Werk stücke. Anhand der Zeichnungen werden eine Ausfüh rungsform des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise nä her erläutert.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen verschiedene Stadien des Verfahrens, und zwar links jeweils die Elemente im Schnitt, rechts in Ansicht.
Auf den Fig. 4 und 5 sind Einzelheiten einer Vorrichtung dargestellt.
In Fig. 1 sind die für den Prozess vorbereiteten Elemente 1 und 4 mit den Erhöhungen 2 und der Oberflächenschicht 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt die Elemente am Ende des Vibrationsprozesses, wobei die Pfeile 5 die Richtung des Anpressdruckes, die Pfeile 6 verschiedene Richtungen der Vibrations- bewegung andeuten. Durch die Vibrationsbewegun- gen von der Amplitude 7 haben die Erhöhungen 2 die Oberflächenschicht 3 durchbrochen und berüh ren das Grundmaterial 4 des Gegenelementes. Die Erhöhungen stehen in der Mitte der freigearbeiteten Fläche. Fig. 3 erläutert die Situation nach dem ei gentlichen Schweissprozess. Die Anpresskraft 5 ent spricht jetzt dem Schweissdruck.
Durch die Elek trode 8 wird ein elektrischer Strom 9 den Elemen ten zugeführt und fliesst entsprechend der als Bei spiel punktiert gezeichneten Bahn 10 über die Er höhungen 2. Die Stromimpulse bewirken an den Be rührungsstellen das Aufschmelzen des Materials, wo durch sich die Schweissstellen 11 bilden. Das Ele ment 1 nähert sich durch den Schweissprozess dem Element 4, ohne jedoch an der Oberflächenschicht 3 aufzustossen, da die Schweissstellen unter Druck er starren sollen. Anschliessend an die Schweissstrom impulse kann ein erhöhter Nachpressdruck auf gebracht werden.
Der untere Teil von Fig. 4 stellt einen Maschi nenteil in Seitenansicht und Grundriss dar, der die Erzeugung einstellbarer, elastischer Drücke für den Vibrations- und Schweissprozess jedes einzelnen Ele mentes ermöglicht.
Die zu schweissenden Elemente 1 mit den Erhö hungen 2 sitzen auf flexiblen Lamellen 13, welche ihrerseits auf schwenkbaren Armen 14 befestigt sind. Die Drehpunkte der schwenkbaren Arme liegen in der Ebene der Schweisspunkte und sind durch beid seitig eingespannte Bleche 15 gebildet. Über diese Bleche werden auch die elektrischen Stromimpulse den Armen 14 zugeführt. Die Elemente 1 sind durch die elektrisch gut leitende Lehre 16 positioniert, wel che ihrerseits durch Führungsstifte 17 in bestimmter Lage gehalten wird. Die Lamellen 13 sind mittels der Schlitten 20 drehbar um eine Achse angeordnet, die durch die Schweissstellen verläuft. Dies gestattet auf einfache Weise die parallel bzw. tangentiale Einstellung der Elemente 1 in bezug auf das Gegen element.
Die Lamellen 13 dienen zum Aufrechter halten des Schweissdruckes im Moment der kurz zeitigen Schweissstromimpulse, in welchem sich die Elemente 1 dem Gegenelement nähern. An den Fe dern 18 wird der Vibrationsdruck, an den Federn 19 der Schweissdruck eingestellt. Die Federn 19 wir ken erst auf die Arme 14, wenn diese um einen kleinen Winkel nach unten geschwenkt werden.
Der obere in Fig. 4 dargestellte Maschinenteil gleitet in den Kugelführungen 21. Er enthält die Aufnahmeplatte 22 für das Gegenelement 4, welches mit einer die Schweissung normalerweise hindernden Oberflächenschicht bedeckt ist. Wird der bewegliche Teil der Maschine vorgeschoben, bis die Elemente sich berühren und die Arme 14 etwas ausgelenkt sind, so erzeugen die einstellbaren Federn 18 den Vibrationsdruck. Bei noch weiterem Vorschieben des beweglichen Maschinenteils werden die Federn 18 und 19 und damit der Schweissdruck wirksam, welcher in praktisch allen Fällen grösser ist als der Vibrationsdruck.
Der bewegliche Teil der Maschine enthält einen Vibrator, der auf besonders einfache und elegante Weise die beschriebenen Forderungen erfüllt. Er lie fert eine kreisförmigee Vibrationsbwegung. Auf den Kugellagern 24 dreht der Rotor 25 eines Asynchron motors, im dargestellten Fall bestehend aus einem Aluminiumrohr. Der Stator 26 trägt die Wicklung 27 zur Erzeugung eines schnellen Drehfeldes. Der magnetische Fluss schliesst sich über den Ring 28. Der Rotor treibt den äusseren Ring 29 eines Kegel rollenlagers an. Dieses Lager besteht aus einem nur knapp zur Hälfte und einseitig mit Rollen 30 ge füllten Rollenkäfig. Der innere Ring 31 des Rollen lagers sitzt auf der Hülse 32, die durch den Stab 33 mittels Querstift axial verschoben werden kann.
Die Verschiebung des Stabes 33 erfolgt im dargestell ten Fall elektromagnetisch mit Hilfe einer zweiten Hülse 34 und des Topfmagneten 35. Die Hülse 32 überträgt die entstehenden Radialkräfte auf den durchgehenden Stab 41, der die Arbeitsplatte 22 mit dem Element 4 trägt. Die Amplitude der Vibra- tionsbewegung kann an der Stellschraube 36, welche den Weg des Stabes 33 begrenzt, eingestellt werden. Die Feder 37 drückt die Hülsen 32 und 34 mit Stab 33 nach Abschalten des Magneten 35 wieder nach unten, wodurch die Vibration gestoppt und gleichzeitig mit dem Konus an der Hülse 32 eine Zentrierung bzw. Rückführung der vibrierten Teile in eine bestimmte Ruhelage durchgeführt wird.
Der in Fig. 4 dargestellte Motor-Vibrator gestat tet eine ;sehr grosse Übersetzung der Rotorkräfte bzw. Untersetzung der entsprechenden Geschwin digkeiten. Man kommt deshalb mit sehr kleinen Abmessungen und minimalem Materialaufwand für den Vibrator-Motor aus.
Selbstverständlich können in Anwendung des er findungsgemässen Verfahrens auch andere Vibra- tionsgeräte verwendet werden, wie z. B. Zentrifugal kraft-Vibratoren, elektrodynamische oder elektro magnetische Vibratoren, magneto- oder piezostriktive Schwinger usw.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführung hat jedoch hinsichtlich Einfachheit, Preis, Regulierbarkeit der Amplitude usw. sehr grosse Vorteile. Der Bewegungsablauf der in Fig. 4 schematisch dargestellten Maschine ist der folgende: 1. Senken des beweglichen oberen Maschinenteils bis in Vibrationsstellung; 2. Einschalten des Topfmagneten während bestimm ter Zeit (Vibrationsdauer); 3. weiteres Vorschieben des beweglichen Teils in Schweissstellung (Federn 18 und 19 werden wirk sam); 4.
Einschalten der Schweissimpulse, wobei der Strom über Anschlüsse 40, Scharnier 15, Arme 14, Lamellen 13, Lehre 16; Elemente 1, Erhöhun gen 2 auf das Element 4 und über Arbeitsplatte 22 und ihren Trägerstab 41 sowie die flexible Verbindung 38 zu Anschluss 39 fliesst; 5. Rückführung des oberen, beweglichen Maschi nenteils.
In Fig. 4 könnte natürlich auch gerade der innere Ring 28 des Motors als Zugmagnet für die Hülse 32 verwendet werden. Die Vibrationsbewe- gung würde dann durch Ein- und Ausschalten des Motors ausgelöst.
Auf Fig. 5 ist dargestellt, wie bei einer grösse ren Anzahl gleichzeitig aufzuschweissender Elemente der Schweisstransformator aus Platz- und Preisgrün den vorzugsweise ausgebildet werden kann.
Für jedes zu schweissende Element, das auf einem separaten, schwenkbaren Arm sitzt, ist eine Transformatorsäule 51 vorgesehen, welche die Pri märwicklung 54 und die mit dieser eng gekoppelte Sekundärwicklung 55 trägt. Alle Säulen sind durch Verbindungsjoche 52 miteinander verbunden. Das Ausgleichsjoch 53 kann eventuell weggelassen wer den, so z. B. bei einer grösseren Anzahl Säulen und speziell dann, wenn die Säulen im Kreise angeordnet sind, so dass die Verbindungsjoche 52 durch zwei Ringe gebildet werden.
Die elektronischen Steuerungen 56 speisen die Primärwicklungen 54 mit Stromimpulsen, welche während eines bestimmten Zeitmomentes die mit -I- und -Zeichen angedeutete Polarität aufweisen. Die Wicklungen sind somit so geschaltet, dass die magnetischen Flüsse im Sinne der. punktiert ge zeichneten Bahnen verlaufen. Der gemeinsame ne gative Sekundäranschluss 58 wird mit dem Anschluss 39 in Fig. 4 verbunden, die Anschlüsse 59 mit den Anschlüssen 40 der schwenkbaren Arme nach der Fig. 4.
Die dargestellte Anordnung ergibt eine Preisre duktion des Eisenteils der Transformatoren um etwa 40%.