CH636548A5 - Electrode wheel for an electric resistance welding machine - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Elektrodenrolle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Elektroden-rollenanordnung ist aus dem DE-GM 73 37 001 bekannt. Bei der bekannten Elektrodenrollenanordnung befindet sich zwischen dem Stator und dem Rotor ein nach aussen dicht abgeschlossener Ringspalt, der mit einer eutektischen Legierung von Gallium und Indium (Schmelzpunkt 15,5°C) oder Gallium, Indium und Zinn (Schmelzpunkt 14°C) gefüllt ist, welche beim Betrieb der Elektrodenrollenanordnung flüssig ist und die zum Schweissen benötigte elektrische Energie vom Stator auf den Rotor überträgt. The invention is based on an electrode roller according to the preamble of claim 1. Such an electrode roller arrangement is known from DE-GM 73 37 001. In the known electrode roller arrangement, between the stator and the rotor there is an annular gap which is sealed off from the outside and which is filled with a eutectic alloy of gallium and indium (melting point 15.5 ° C.) or gallium, indium and tin (melting point 14 ° C.) , which is liquid during operation of the electrode roller arrangement and transmits the electrical energy required for welding from the stator to the rotor.

Ein wesentliches Problem liegt bei diesen Elektrodenrol-lenanordnungen darin, dass der Rotor und der Stator aus Kupfer bestehen, weil Kupfer die nötige hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Kupfer ist jedoch in der Gallium-In-dium-Legierung löslich. Die Folge davon ist, dass mit zunehmender Anreicherung von Kupfer in der Indium-Gallium-Legierung deren Schmelzpunkt rasch ansteigt und zumindest oberhalb der gewöhnlichen Raumtemperatur liegt, so dass die Elektrodenrollenanordnung vor der Inbenutzungsnahme erst aufgeheizt werden muss, damit die Indium-Gallium-Legierung schmilzt und der Rotor wieder drehbar ist. Bei zunehmend höherem Schmelzpunkt wird schliesslich ein Punkt erreicht, von dem an die Elektrodenrollenanordnung überhaupt nicht mehr verwendbar ist. A major problem with these electrode roller assemblies is that the rotor and the stator are made of copper because copper has the necessary high electrical conductivity. However, copper is soluble in the gallium-indium alloy. The consequence of this is that with increasing accumulation of copper in the indium-gallium alloy, its melting point rises rapidly and is at least above the normal room temperature, so that the electrode roller arrangement has to be heated up before use so that the indium-gallium alloy melts and the rotor is rotatable again. With an increasingly higher melting point, a point is finally reached from which the electrode roller arrangement can no longer be used.

Um dem zu begegnen, sind bei der bekannten Elektrodenrollenanordnung im Bereich des Ringspaltes sowohl der Rotor als auch der Stator mit einer Hartchrom- oder Hartchrom-Vanadiumschutzschicht versehen. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass diese Schutzschichten die in sie gestellten Erwartungen nicht erfüllen und den Betriebsbedingungen, denen die Elektrodenrollenanordnung unterliegt, nicht standhalten. Die Betriebsbedingungen sind im wesentlichen gekennzeichnet durch im Bereich zwischen Raumtemperatur und 200 °C häufig wechselnde Temperaturen und den Angriff der Gallium-Indium-Legierung bei diesen Temperaturen. Anscheinend bilden sich unter diesen Bedingungen in der Hartchrom-(Vanadium-)Schicht Risse, durch die hindurch das Kupfer dann herausgelöst wird. Chrom hat den weiteren Nachteil, dass es von der Gallium-Indium-Legie-rung schlecht benetzt wird, was wohl von der oberflächlichen Passivierung durch Anlagerung von Sauerstoff herrührt. Die schlechte Benetzbarkeit bewirkt einen relativ hohen Kontaktübergangswiderstand, weshalb sich die Elektrodenrollenanordnung im Betrieb verstärkt erwärmt. Die verstärkte Erwärmung wiederum bewirkt eine beschleunigte Auflösung des Kupfers, welches durch die Risse in der Hart-5 chromschicht hindurch von der flüssigen Gallium-Indium-Legierung angegriffen wird. To counter this, both the rotor and the stator are provided with a hard chrome or hard chrome vanadium protective layer in the known electrode roller arrangement in the region of the annular gap. However, practice has shown that these protective layers do not meet the expectations placed on them and do not withstand the operating conditions to which the electrode roller arrangement is subject. The operating conditions are essentially characterized by frequently changing temperatures in the range between room temperature and 200 ° C. and the attack of the gallium-indium alloy at these temperatures. Under these conditions, cracks appear to form in the hard chrome (vanadium) layer, through which the copper is then released. Chromium has the further disadvantage that it is poorly wetted by the gallium-indium alloy, which is probably due to the surface passivation due to the addition of oxygen. The poor wettability causes a relatively high contact resistance, which is why the electrode roller arrangement heats up during operation. The increased warming in turn causes the copper to dissolve more rapidly, which is attacked by the liquid gallium-indium alloy through the cracks in the hard chromium layer.

Bei einer aus der FR-PS 1 533 146 bekannten Elektrodenrollenanordnung ist es bekannt, den aus Kupfer bestehenden Stator und Rotor zum Schutz vor dem Angriff io von flüssigem Gallium mit einer Schutzschicht aus Tantal oder Iridium zu überziehen. Dieser Weg ist zwar gangbar, jedoch ausserordentlich aufwendig. Der Einsatz von Tantal ist bei einem Preis von ca. DM 300.-/kg recht teuer und galvanische Beschichtungsverfahren sind nicht bekannt. Be-i5 kannt sind die Schmelzflusselektrolyse und das Sprengplattieren als Beschichtungsverfahren, die beide sehr aufwendig sind. In an electrode roller arrangement known from FR-PS 1 533 146, it is known to coat the stator and rotor, which is made of copper, with a protective layer of tantalum or iridium for protection against attack by liquid gallium. This path is feasible, but extremely complex. The use of tantalum is quite expensive at a price of approx. DM 300 .- / kg and galvanic coating processes are not known. Melt-flow electrolysis and explosive plating are known as coating processes, both of which are very complex.

Gegen die Verwendung von Iridium spricht, dass es fast ebensoviel kostet wie Platin, was sich bei der hohen Dichte 20 von 22,4 g/cm3 besonders schwerwiegend auswirkt. Galvanische Verfahren zur Beschichtung sind zwar bekannt, jedoch erzeugt man mit ihnen schwerlich Überzüge mit konstanter Dicke, was die Voraussetzung für einen sparsamen Einsatz des Iridiums wäre. Das alternativ mögliche Bedampfen mit 2s Iridium ist wegen des niedrigen Dampfdrucks bzw. hohen Siedepunktes (4600 °C) des Iridiums sehr aufwendig. The use of iridium is spoken by the fact that it costs almost as much as platinum, which is particularly serious given the high density 20 of 22.4 g / cm3. Electroplating processes for coating are known, but it is difficult to produce coatings with a constant thickness, which would be a prerequisite for the economical use of iridium. The alternative possible vapor deposition with 2s iridium is very complex because of the low vapor pressure or high boiling point (4600 ° C) of the iridium.

Aufgabe der Erfindung ist es, den aus Kupfer bestehenden Stator und Rotor mit einem mit verhältnismässig geringem Aufwand herstellbaren und dem Angriff der Gallium-30 Indium-Legierung bei zwischen Raumtemperatur und 200 °C wechselnden Temperaturen widerstehenden Überzug zu versehen. The object of the invention is to provide the stator and rotor made of copper with a coating which can be produced with relatively little effort and which resists the attack of the gallium-30 indium alloy at temperatures varying between room temperature and 200 ° C.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schutzschicht eine stromlos abgeschiedene Nickel-35 schicht ist, die vorzugsweise 2-20 |xm dick ist. Die besten Ergebnisse werden mit einer 8-16 (xm dicken Nickelschicht erzielt. According to the invention, this object is achieved in that the protective layer is an electrolessly deposited nickel layer, which is preferably 2-20 μm thick. The best results are achieved with an 8-16 (xm thick nickel layer.

Die Nickelschicht schützt das darunterliegende Kupfer zuverlässig vor dem Angriff der Gallium-Indium-Legierung 40 und lässt sich durch diese auch einwandfrei benetzen. The nickel layer reliably protects the copper underneath from attack by the gallium-indium alloy 40 and can also be easily wetted by it.

Aus der US-PS 1 948 687 ist es im Zusammenhang mit elektrischen Schaltern, bei denen der elektrische Kontakt durch flüssiges Gallium oder eine flüssige Galliumlegierung hergestellt wird, bereits bekannt, dass Nickel als Werkstoff 45 für in Gallium eintauchende Schaltelektroden in Betracht kommt, weil Nickel sich in Gallium praktisch nicht löst. Elektrodenrollen zum Schweissen aus Massiv-Nickel sind jedoch wegen der nur ein Viertel der Leitfähigkeit des Kupfers betragenden elektrischen Leitfähigkeit des Nickels nicht gut so geeignet. Dass sich die nunmehr erfindungsgemäss vorgeschlagene stromlose Vernickelung derart gut bewähren würde, konnte - soweit wegen der verwickelten und noch weitgehend ungeklärten Vorgänge der Korrosion von Metallen in flüssigen Metallen überhaupt theoretische Vorhersagen mög-55 lieh sind - angesichts des Versagens der bisher verwendeten Hartchrom-(Vanadium-)Schichten nicht erwartet werden. From US Pat. No. 1,948,687, it is already known in connection with electrical switches in which the electrical contact is made by liquid gallium or a liquid gallium alloy that nickel can be considered as material 45 for switching electrodes immersed in gallium, because nickel practically does not dissolve in gallium. However, electrode rolls for welding made of solid nickel are not so well suited because of the electrical conductivity of the nickel, which is only a quarter of the conductivity of the copper. The fact that the electroless nickel plating now proposed according to the invention would prove itself so well could - insofar as theoretical predictions are possible at all because of the complicated and still largely unexplained processes of corrosion of metals in liquid metals - given the failure of the previously used hard chrome (vanadium -) shifts are not expected.

Es hat sich gezeigt, dass das Korrosionsverhalten weiter verbessert werden kann durch einen Zusatz von Zink zur flüssigen Kontaktlegierung, die vorzugsweise neben den 60 Hauptkomponenten Gallium und Indium noch Zinn und Zink enthält. Besonders bewährt hat sich der Einsatz einer Vierstofflegierung aus 58-64 Gew.-% Gallium, 22-28 Gew.-% Indium, 10-15 Gew.-% Zinn und 0,2-2 Gew.-% Zink. Diese Legierung scheint auch noch bessere Benet-65 zungseigenschaften zu haben. It has been shown that the corrosion behavior can be further improved by adding zinc to the liquid contact alloy, which preferably contains tin and zinc in addition to the 60 main components gallium and indium. The use of a four-component alloy made of 58-64% by weight gallium, 22-28% by weight indium, 10-15% by weight tin and 0.2-2% by weight zinc has proven particularly useful. This alloy also appears to have better wetting properties.

Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch eine Elektrodenrolle im Schnitt. Der Rotor 1 ist unter Bildung eines Ringspaltes 3 drehbar auf dem Stator 2 angeordnet. Zwi- The attached drawing shows schematically an electrode roll in section. The rotor 1 is rotatably arranged on the stator 2 to form an annular gap 3. Between

sehen beiden befinden sich Lagerbuchsen 4 aus Kunststoff, welche den Ringspalt 3 auch nach aussen abdichten. Im Bereich des Ringspaltes 3, der mit der Indium-Gallium-Legie-rung gefüllt ist, und der Lagerbuchsen 4 sind der Rotor 1 und der Stator 2 mit einer dünnen, stromlos abgeschiedenen see both are bushings 4 made of plastic, which also seal the annular gap 3 to the outside. In the area of the annular gap 3, which is filled with the indium-gallium alloy, and the bearing bushes 4, the rotor 1 and the stator 2 are coated with a thin, currentless one

3 636 548 3,636,548

Nickelschicht überzogen. Die Gallium-Indium-Legierung kann durch eine verschliessbare Bohrung im Rotor 1 in den Ringspalt 3 eingefüllt werden. Die Stromzufuhr erfolgt über den Stator 2. Nickel plated. The gallium-indium alloy can be filled into the annular gap 3 through a closable bore in the rotor 1. Power is supplied via the stator 2.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (4)

636 548636 548 1. Elektrodenrolle für eine elektrische Widerstands-schweissmaschine, mit einem Stator und einem Rotor, die durch eine in einem Ringspalt zwischen ihnen befindliche, niedrigschmelzende Legierung mit Gallium und Indium als Hauptbestandteil miteinander elektrisch leitend verbunden und im Bereich des Ringspalts mit einer metallischen Schutzschicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine stromlos abgeschiedene Nickelschicht ist. 1. Electrode roller for an electrical resistance welding machine, with a stator and a rotor, which are electrically conductively connected to one another by a low-melting alloy with gallium and indium as the main component in an annular gap between them and are provided with a metallic protective layer in the area of the annular gap , characterized in that the protective layer is an electrolessly deposited nickel layer. 2. Elektrodenrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht 2-20 um, vorzugsweise 8-16 (im dick ist. 2. Electrode roll according to claim 1, characterized in that the nickel layer is 2-20 µm, preferably 8-16 (in thickness. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Elektrodenrolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mit Gallium und Indium als Hauptbestandteil auch Zinn und Zink enthält. 3. Electrode roll according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy with gallium and indium as the main component also contains tin and zinc. 4. Elektrodenrolle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 58-64 Gew.-% Gallium, 22-28 Gew.-% Indium, 10-15 Gew.-% Zinn und 0,2-2 Gew.-% Zink besteht. 4. Electrode roll according to claim 3, characterized in that the alloy of 58-64 wt .-% gallium, 22-28 wt .-% indium, 10-15 wt .-% tin and 0.2-2 wt .-% Zinc exists.