DE19714755A1

DE19714755A1 - Löt-Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung der dazu erforderlichen Zusatzwerkstoff-Depots

Info

Publication number: DE19714755A1
Application number: DE1997114755
Authority: DE
Inventors: Gernot Dr Sitte; Juergen Seilkopf
Original assignee: SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Current assignee: SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: DE19714755C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren vorzugsweise zum punkt- oder linienförmigen Ver binden von Blechbauteilen durch Löten mittels konduktiver Widerstandserwärmung unter Verwendung pulverförmiger Lote. Weiterhin betrifft die Erfindung geeignete Vorrichtun gen zur Erzeugung punkt- oder linienförmiger Zusatzwerkstoff-Depots.

Es ist bekannt, Blechbauteile mittels einer Vielzahl von Verfahrensvarianten des Wider standspunktschweißens zu verbinden (Krause M. Widerstandspunktschweißen. Deutscher Verlag für Schweißtechnik Düsseldorf 1993). Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei artgleichen Fügepartnern in der Regel beidseitig Elektrodeneindrücke vorhanden sind, die auf Sichtflächen meist eine Nacharbeit erfordern. Durch Verwendung von Elektroden mit größeren Arbeitsflächendurchmessern auf der Sichtseite gelingt es zwar, den Elektroden eindruck zu verhindern. Da die beim Punktschweißen erzeugten Schmelzvolumen stets ein Schrumpfen bei deren Erstarrung nach sich ziehen, ist eine Oberflächen-Einziehung im Bereich der Schweißlinse unvermeidlich und damit meist eine, wenn auch minimierte Nacharbeit erforderlich. Es ist auch bekannt, mittels Buckelschweißen Blechteile zu ver binden. Aufgrund der verfahrenstypisch bedingten großflächigen Stromeinleitung sind die Probleme hier im allgemeinen geringer als beim Punktschweißen. Das Buckelschweißen hat jedoch wesentliche Einschränkungen hinsichtlich der realisierbaren Bauteilgröße, da im allgemeinen alle partiellen Schweißstellen gleichzeitig erzeugt werden (müssen). Es ist auch bekannt, punkt- oder linienförmige Verbindungen zwischen Blechbauteilen mittels Rollennahtschweißen bei ein- oder beidseitiger Elektrodenanordnung zu erzeugen. Die Probleme sind jedoch in keinem Fall geringer als die beim Punkt- oder Buckelschweißen beschriebenen.

Die genannten Verfahren sind für das Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe oft nicht geeignet, da sich beim Schweißen verschiedener Kombinationen spröde intermetallische Phasen bilden.

Es ist bekannt mittels konduktiver Widerstandserwärmung Lötverbindungen zu erzeugen (ZIS-Mitt., Halle 29 (1987) 4 S. 367-374). Nachteilig ist, daß bisher entweder ein drittes Teil (Lotfolie, Lotdraht, Lotpaste o. ä.) unmittelbar während des Fügeprozesses zu posi tionieren ist oder ein Teil mit einer Beschichtung versehen werden muß. Bei der Ausnut zung galvanischer Beschichtungen als Lot muß das komplette Bauteil beschichtet sein. Die Auswahl der anwendbaren Lote ist dann stark eingeschränkt.

Es wurde auch schon vorgeschlagen (DD 274775 A1) zur Erhöhung der Prozeßsicherheit Nuten in die Fügepartner einzuarbeiten, die als Flußmitteldepots dienen. Die vorge schlagenen Maßnahmen dienen ausschließlich der Qualitätsverbesserung der Verbindung. Weder die Handhabbarkeit noch die Automatisierbarkeit werden dadurch verbessert. Für großflächige Blechbauteile ist diese Methode nicht geeignet.

Weiterhin wurde auch schon vorgeschlagen (DE 195 12 089 C1), in einen der Fügepartner an den Stellen der gewünschten Verbindungsstellen Kalotten einzuprägen, in diese Lot einzubringen und beim späteren Verbindungsprozeß mittels konduktiver Stromeinleitung eine Rückverformung der Kalotte unter gleichzeitiger Erwärmung auf Löttemperatur vorzunehmen.

Da bei richtig eingestellten Parametern ein Anschmelzen der Grundwerkstoffe vermieden wird, entsteht auch kein schrumpfungsbedingter Oberflächeneinzug. Eine Seite wird also optisch nicht beeinträchtigt. Dieser Vorteil wird jedoch mit dem Nachteil von zwei zu sätzlichen Prozeßschritten (Einprägen der Kalotten und Deponieren des Lotes) erkauft. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Umformbarkeit mindestens eines der Fügepartner die Voraussetzung für seine Anwendbarkeit ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, durch ein Verfahren das Verbinden artgleicher oder verschiedener, auch nichtduktiler, Werkstoffe bei weitgehender Vermeidung von Ober flächenschädigungen und zusätzlichen Arbeitsschritten zu gewährleisten. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, entsprechende Vorschläge für Vorrichtungen zu unterbreiten, die einen effektiven Ablauf der Verfahrensschritte mit hoher Qualität beinhalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegen den Gedanken, die das Lötverfahren betreffen, auf den Patentanspruch 1 und bei der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens auf Anspruch 2 verwiesen wird.

Das Verfahren besteht im wesentlichen aus folgenden Schritten.

- Eine Metallpulverschüttung (pulverförmiges Lot) wird auf einem Bauteil oder auf einer unter dem Bauteil befindlichen Elektrode mit kegelig auslaufender Spitze und flacher Arbeitsfläche plaziert.
- Durch Stromfluß zwischen den Elektroden einer Punktschweißmaschine und gleich zeitiger Krafteinwirkung zwischen den Elektroden (bis hierher Teilschritt bekannt) erfolgt im weiteren erfindungsgemäß zunächst eine Erwärmung der Pulverschüttung und dann ein Sinterprozeß der Pulverkörner untereinander und gleichzeitig ein Diffusionsprozeß zwischen der Pulverschüttung und dem Bauteil.
- Das nicht vom Diffusionsprozeß erfaßte lose Metallpulver wird mit einfachen mechanischen Hilfsmitteln vom Bauteil entfernt bzw. das lose Metallpulver fällt von der unter dem Bauteil befindlichen Elektrode herab.
- Das transportsicher befestigte Lot-Depot dient anschließend oder später am gleichen oder einen entfernten Ort für eine Verbindung mit einem zweiten Bauteil mit Hilfe einer Punktschweißmaschine.
- Mit der Punktschweißmaschine werden mittels konduktiver Widerstandserwärmung vor entsprechender Ausrichtung die Bauteile und das Lot gleichmäßig erwärmt, wodurch das Lot teigig oder flüssig wird, die Bauteile jedoch im festen Zustand bleiben. Nach Abschluß des konduktiven Erwärmungsprozesses wird die Elektroden kraft solange aufrecht erhalten, bis das Lot abgekühlt ist.

Ein sicheres und trotzdem einfaches Deponieren der Metallpulverschüttung erfolgt ent sprechend den Patentansprüchen 3 bis 7, die die Ausgestaltung der erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Erzeugung des Zusatzwerkstoff-Depots enthalten. Damit werden evtl. Mängel beim Sinter- und Diffusionsprozeß verhindert sowie eine Oberflächenbeschädi gung der Fügepartner.

Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Figuren zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 4 die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Erzeugung einer punktför migen Lötverbindung zwischen zwei Blechen

Fig. 5 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Lotdepots über die Unterelektrode einer Standard-Punkt-Schweißmaschine

Fig. 6 die Vorrichtung gemäß Fig. 5 während des Deponieprozesses

Fig. 7 die Erzeugung eines linienförmigen Zusatzwerkstoff-Depots am Rande eines Blechbauteils mittels indirekter Rollenanordnung und Unterkupfer unter Verwendung von Metallpulver

Fig. 8 die gleichzeitige Erzeugung von zwei linienförmigen Zusatzwerkstoff- Depots in der Mitte eines Blechbauteils mittels indirekter Rollenanord nung.

Zunächst soll der erfindungsgemäße Verfahrensablauf anhand der Fig. 1-4 erläutert werden.

Gemäß Fig. 1 befindet sich eine Metallpulverschüttung 1 zwischen dem Blech 2, auf dem ein Depot erzeugt werden soll, und einer Elektrode 3 mit kegelig auslaufender Spitze. Auf der anderen Seite des Blechs befindet sich eine Elektrode 4 mit zylindrisch auslaufender Spitze. Die spitze Elektrode 3 kann dabei oberhalb des Blechs 2 (Fig. 1a) oder unterhalb (Fig. 2b) angeordnet sein. Beide Elektroden 3, 4 sind in einer bekannten, aber in der Fig. 1a/1b nicht dargestellten Punktschweißmaschine befestigt.

Nach dem Betätigen der Punktschweißmaschine bewegt sich in ebenfalls bekannter Weise die Oberelektrode nach unten, und es wird eine Kraftwirkung zwischen beiden Elektroden erzeugt. Der danach erfolgende Stromfluß erzeugt in der Pulverschüttung 1 zunächst eine Erwärmung und dann einen Sinterprozeß der Pulverkörner untereinander und gleichzeitig einen Diffusionsprozeß zwischen der Pulverschüttung 1 und dem Blech 2.

Fig. 2 zeigt den Zustand am Ende dieser Prozeßstufe. Auf dem Blech 2 befindet sich ein kreisförmiges Lot-Depot 5. Das überschüssige Pulver 6 bleibt ringförmig um das Depot 5 angeordnet auf dem Blech 2 liegen, wenn die Pulverschüttung 1 auf dem Blech 2 lag oder fällt nach unten weg, wenn die Pulverschüttung 1 auf der Elektrode 3 lag.

Das Lot-Depot 5 ist nun transportsicher auf dein Blech 2 befestigt und kann sofort oder zu einem zeitlich auch viel späteren Zeitpunkt an gleichem oder an einem entfernten Ort im nächsten Verfahrensschritt benutzt werden, um das Blech 2 mit einem zweiten Blech 8 zu verbinden. Die Anfangsstufe dieses Prozeßschrittes zeigt Fig. 3.

Zwischen zwei in bekannter Weise in einer in der Fig. 3 nicht dargestellten Punkt schweißmaschine montierten Elektroden 4 mit zylindrischen Spitzen und flacher Ar beitsfläche befindet sich das Blech 2 mit dem im vorherigen Schritt erzeugten Lot-Depot 5 und das mit diesem zu verbindende Blech 8.

Nach Betätigung der Punktschweißmaschine laufen in bekannter Weise Kraftaufbau, Stromfluß und die damit verbundene Wärmeerzeugung ab. Dabei laufen zwischen den Sinterpartikeln des Lot-Depots 5 und der Oberfläche des Bleches 8 noch mikroskopische Relativbewegungen ab, die den Bindeprozeß begünstigen. Dabei vergrößert sich das Lot- Depot im Durchmesser, während sich seine Dicke verringert. Am Prozeßende erfolgt gem. Fig. 4 nach Stromabschaltung in bekannter Weise ein Nachpressen, so daß die Verbin dungsbildung unter Druck abgeschlossen wird und eine punktförmige Verlötung 7 mit sehr guten Festigkeitseigenschaften entsteht. Die äußeren Oberflächen 9 der beiden verbundenen Bleche 2 und 8 sind in ihrer Geometrie nicht verändert.

Anhand von Fig. 5 und 6 soll eine Vorrichtung erläutert werden, mit deren Hilfe der Ver fahrensschritt zur Erzeugung des Lot-Depots sehr effektiv gestaltet werden kann. Die untere Elektrode 3 mit kegelig auslaufender Spitze ist konzentrisch von einem schüssel förmigen elastischen nichtleitenden Formteil 10 umgeben. Letzteres ist fast vollständig mit einem Lot-Pulver-Vorrat 11 gefüllt. Das Füllniveau 12 des Pulvervorrats befindet sich ca. 1-3 mm über der Arbeitsfläche 13 der Elektrode 3.

Nach Auflegen des Blechs 2, auf dem das Lot-Depot erzeugt werden soll, wird die in den Fig. 5, 6 nicht dargestellte Schweißmaschine betätigt. Die ebenfalls nicht dargestellte obere Elektrode drückt auf das Blech 2. Das Blech 2 überträgt die Kraftwirkung auf dem Rand 14 des schlüsselförmigen elastischen nichtleitenden Formteils 10, wodurch der Rand 14 nach außen abgelenkt wird, so daß sich das Blech 2 geringfügig nach unten bewegt und sich eine dünne Lot-Pulver-Schicht 15 zwischen Blech 2 und Arbeitsfläche 13 der Elek trode 3 befindet.

Der weitere Prozeß zur Bildung des Lot-Depots läuft wie anhand der Fig. 1 und 2 be schrieben ab. Nach Abheben der oberen Elektrode richtet sich der Rand 14 des schlüssel förmigen elastischen nichtleitenden Formteils 10 wieder auf und erzeugt damit auf der Arbeitsfläche 13 der Elektrode 3 eine neue Pulverschüttung.

Anhand von Fig. 7 soll die Erzeugung eines linienförmigen Zusatzwerkstoff-Depots am Rande eines Blechs erläutert werden.

Das Blech 16, auf dem das linienförmige Zusatzwerkstoff-Depot erzeugt werden soll, liegt auf einem Unterkupfer 17, das einige Zentimeter über den Blechrand übersteht. Eine Kontaktelektrode 18 läuft auf dem Unterkupfer 17. Die Schweißelektrode 19 läuft auf dem Blech 16 dort, wo das Depot erzeugt werden soll. Beide Elektroden 18/19 sind in bekannter Weise mit der Sekundärwicklung 20 eines Schweißtransformators verbunden. Ein Pulverdosiersystem 21 ist in Bewegungsrichtung 22 der Rollen 18/19 vor diesen angeordnet und wird mit diesen gleichzeitig bewegt. Dabei entsteht eine linienförmige Pulverschüttung 23, die von der Schweißelektrode 19 kontinuierlich überrollt wird. Wäh rend des Abrollens werden beide Rollen 18, 19 durch ein an sich bekanntes, aber in der Fig. 7 nicht dargestelltes Kraftsystem mit einer Schweißelektrodenkraft 24 bzw. einer Kontaktelektrodenkraft 25 gegen das Blech 16 bzw. gegen das Unterkupfer 17 gepreßt. Durch eine handelsübliche, ebenfalls in der Fig. 7 nicht dargestellte Steuerung wird der Transformator zyklisch ein- und ausgeschaltet, wodurch eine Folge von Stromimpulsen entsteht. Jeder Stromimpuls erzeugt analog der Beschreibung zu den Fig. 1 bis 4 ein punktförmiges Zusatzwerkstoff-Depot. Durch Rollenbewegung und zeitliche Folge der Stromimpulse entsteht durch eine Aneinanderreihung der punktförmigen Depots ein linienförmiges Depot 26. Rechts und links davon bleibt das überschüssige Pulver 6 liegen.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann das Depot zum Löten oder als Zusatz werkstoff beim Schmelzschweißen zur gezielten Beeinflussung des Schweißgutes ver wendet werden.

Nachfolgend soll anhand von Fig. 8 die gleichzeitige Erzeugung von zwei linienförmigen Zusatzwerkstoff-Depots erläutert werden.

Zwei mit der Sekundärwicklung 20 des Schweißtrafos verbundene Schweißelektroden 19 werden gegen das Blech 16, auf dem die linienförmigen Zusatzwerkstoff-Depots erzeugt werden sollen, gepreßt. In Bewegungsrichtung 22 der Schweißrollen 19 ist je ein Pulver dosiersystem 21 vor diesen angeordnet und wird gleichzeitig mit diesen bewegt. Dabei entstehen vor den Schweißrollen 19 je eine linienförmige Pulverschüttung 23, die von je einer Schweißelektrode 19 kontinuierlich überrollt wird. Analog zu Fig. 7 entstehen so zwei linienförmige Zusatzwerkstoff-Depots. Je nach Abstand der beiden Schweißelektro den 19 kann der Abstand der linienförmigen Depots 26 etwa von 1 Zentimeter bis zu einigen Dezimetern variiert werden. Bei größeren Abständen und kleinen Blechdicken kann es vorteilhaft sein, zusätzlich ein Unterkupfer zu verwenden, um den Widerstand im Schweißkreis kleiner zu halten.

Bezugszeichenliste

1

Metallpulverschüttung

2

Blech I

3

Elektrode mit kegelig auslaufender Spitze und flacher Arbeitsfläche

4

Elektrode mit zylindrisch auslaufender Spitze und flacher Arbeitsfläche

5

Lot-Depot

6

überschüssiges nicht gesintertes Pulver

7

punktförmige Lötverbindung

8

Blech II

9

Blechoberfläche

10

schüsselförmiges elastisches nichtleitendes Formteil

11

Lot-Pulver-Vorrat

12

Füllniveau des Pulver-Vorrats

13

Arbeitsfläche der Elektrode

14

Rand des Formteils

15

dünne Lot-Puöver-Schicht

16

Blech, auf dem ein linienförmiges Zusatzwerkstoff-Depot erzeugt werden soll

17

Unterkupfer

18

Kontaktelektrode

19

Rollenelektrode

20

Sekundarwicklung des Schweißtrafos

21

Pulverdosiersystem

22

Bewegungsrichtung der Rollen

23

linienförmige Pulverschüttung

24

Schweißelektrodenkraft

25

Kontaktelektrodenkraft

26

linienförmiges Zusatzwerkstoff-Depot

Claims

1. Lötverfahren vorzugsweise zur Verbindung von Blechbauteilen aus Feinblechen aus artgleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen durch partielles Löten mittels konduktiver Widerstandserwärmung unter Verwendung pulverförmiger Lote, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallpulverschüttung (1) auf einem der zu verbindenden Teile oder auf einer Elektrode (3) mit kegelig auslaufender Spitze und flacher Arbeitsfläche (13), die sich unter einem der zu verbindenden Teile befindet, lose plaziert wird, die Metallpulverschüttung (1) mittels konduktiver Widerstands erwärmung an einem der zu verbindenden Teile vorzugsweise auf Partialflächen, die den späteren Bindeflächen entsprechen, mittels Löt-Sintern transportsicher deponiert wird, die zu verbindenden Teile in die gewünschte Position gebracht werden, wobei sich die Lot-Depot-Partialflächen zwischen den zu verbindenden Teilen befinden und die örtliche Aufheizung von Schweißteil und Lot, die Verbindungsbildung sowie die Abkühlung unter Einwirkung der Schweißelektroden erfolgen.

2. Löt-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bildung des Lot- Depots (5) bzw. nach Bildung des linienförmigen Zusatzwerkstoff-Depots (26) die zu verbindenden Teile zeitlich und örtlich unabhängig voneinander weiter bearbeitet werden können.

3. Vorrichtung zur Erzeugung eines Lotdepots auf Partialflächen von Blechoberflächen unter Verwendung von Lotpulver und einer konventionellen Widerstands punktschweißeinrichtung unter Nutzung der konduktiven Widerstandserwärmung, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpulver über der Elektrode (3) mit kegelig auslaufender Spitze und flacher Arbeitsfläche (13) derart deponiert wird, daß die Elektrode (3) von einem schüsselförmigen elastischen nichtleitenden Formteil (10), das mit Metallpulver gefüllt ist, umgeben ist und sich das Formteil (10) unter Wirkung der Elektrodenkraft ohne hohen Kraftaufwand deformieren läßt.

4. Vorrichtung zur Erzeugung eines Lot-Depots auf Partialflächen von Blechober flächen unter Verwendung von Lotpulver und einer Widerstandsschweißeinrichtung mit einseitiger Elektrodenanordnung unter Nutzung der konduktiven Widerstands erwärmung dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einen Abstand entsprechend des gewünschten Lotpunktabstandes haben und jede Elektrode eine Depotfläche erzeugt.

5. Vorrichtung zur Erzeugung eines Lot-Depots auf Partialflächen von Blechober flächen unter Verwendung von Lotpulver und einer Widerstandsschweißeinrichtung mit einseitiger Elektrodenanordnung unter Nutzung der konduktiven Widerstands erwärmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einen derart kleinen Ab stand haben, daß von beiden Elektroden eine gemeinsame Depotfläche erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Erzeugung linienförmiger Zusatzwerkstoff-Depots mittels Löt sintern für ein nachfolgendes Löten oder Schmelzschweißen unter Verwendung der konduktiven Widerstandserwärmung vorzugsweise mittels einseitiger Rollenanord nung und unter Verwendung eines Unterkupfers (17) und pulverförmiger, rieselfähi ger Zusatzwerkstoffe und vorzugsweise auf Ausnutzung der Schwerkraft basierender Dosiersysteme, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dosiersystem (21) in Arbeitsrich tung unmittelbar vor der Rollenelektrode (19) oberhalb des mit dem Depot zu ver sehenden Bauteils angeordnet ist.

7. Vorrichtung zur Erzeugung linienförmiger Zusatzwerkstoff-Depots mittels Lötsin tern für ein nachfolgendes Löten oder Schmelzschweißen unter Verwendung der konduktiven Widerstandserwärmung vorzugsweise mittels einseitiger Rollenanord nung und unter Verwendung pulverförmiger, rieselfähiger Zusatzwerkstoffe und vorzugsweise auf Ausnutzung der Schwerkraft basierender Dosiersysteme, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dosiersysteme (21) in Arbeitsrichtung unmittelbar vor den Rollenelektroden (19) oberhalb des mit dem Depots zu versehenden Bauteils ange ordnet sind und bei größeren Abständen der linienförmigen Zusatzwerkstoff-Depots (26) und/oder bei kleinen Blechdicken des Bleches (16) ein Unterkupfer (17) zur Anwendung kommt.