DE2455348C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von flüssigkeitsdichten Verbindungen zwischen Plattengruppen in benachbarten Zellen einer elektrischen Blei-Säure-Speicherbatterie - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von flüssigkeitsdichten Verbindungen zwischen Plattengruppen in benachbarten Zellen einer elektrischen Blei-Säure-SpeicherbatterieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von flüssigkeitsdichten Verbindungen zwischen Plattengruppen
in benachbarten Zellen einer elektrischen Blei-Säure-Speicherbatterie gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist aus der DE-OS
19 63 815 bekannt.
Bei dem darin beschriebenen Verfahren zum Herstellen von Speicherbatterien werden die Fahnen benachbarter
Plattengruppen durch eine Klemmeinrichtung in Form von Rohrbüchsen, die die Schweißelektroden
umgeben, gegen die Zellzwischenwand gedrückt und wird das Fahnenmetall in die Verbindungsöffnung der
Zellzwischenwand durch die Elektroden bei konstant ausgeübtem Schließdruck extrudiert. Nachdem ein
Kontakt zwischen dem von beiden Seiten in die Öffnung extrudierten Fahnenmetall hergestellt ist, wird der
Schweißstrom durch die Elektroden geleitet und erfolgt
unter konstantem Druck das Verschmeben der extrudierten Fahnenabschnitte an ihrer Kontaktfläche,
so daß das Material in die Öffnung extrudiert wird und dort die Öffnung unter Bildung der Schweißverbindung
ausfüllt Nach Stromabschaltung erfolgt die Verfestigung des extrudierten Fahnenmetalls unter dem Druck
der Extrusionselektroden und der Klemmbüchsen.
Mit dieser Verfahrensweise ist zwar eine hinlängliche Qualität von Zwischenzellenverbindung in elektrische
Blei-Säure-Speicherbatterien erreichbar. Angestrebt wird aber noch die Bildung von Zwischenzellenverbindungen,
bei denen sich reproduzierbar eine noch höhere Qualität der Verbindung erreichen läßt. Dabei kommt es
maßgeblich auf die Schaffung einer flüssigkeitsdichten Verbindung an, die weitgehend frei von Leerstellen im
Verbindungsbereich ist. Eins vollkommen flüssigkeitsdichte Verbindung ist deswegen erforderlich, weil die
einzelnen Zellen gegeneinander abgedichtet sein müssen, so d&j ein Hindurchlecken von Elektrolytflüssigkeit
von der einen Zelle zur anderen Zelle verhindert und auch eine in mechanischer und elektrischer Hinsicht
sichere Verbindung zwischen den Zellen gewährleistet wird. Das Auftreten von Leerstellen führt zu einer
Verringerung der Festigkeit der Verbindung. Zudem stellen die Leerstellen häufig den Ausgangspunkt für
einen korrosiven Angriff der Verbindung dar.
Problematisch bei der Durchführung des bekannten Verfahrens in einem Produktionsmaßstab erwies sich
die Gewährleistung der konsistenz bzw. Festig- oder Dichtigkeit in den Schweißstellen bei erhöhter Herstellungsgeschwindigkeit
und das Vorsehen einfacher Qualitätskontrolltechniken zur Überwachung der Schweißzustände und der erzeugten Produkte. Bekannte
nicht zerstörende Versuche bzw. Untersuchungen wie z. B. ein Luftleckage- und ein Ohmscher Spannungsabfall-Test
haben sich nicht als empfindlich genug erwiesen, um Schweißstellen geringer Qualität aufzudecken
und die Bedienungsperson zu einer notwendigen Korrektur der Schweißzustände zu veranlassen. Der
Ausdruck »Schweißzustände« soll in erster Linie Klemm- und Elektrodenkraft und deren Reaktion (d. h.
Durchlauf bzw. Durchgang). Schweißstrom und Schweißzeit einschließen.
Ein anderes Probiem beim bekannten Verfahren ist die Minimierung der Variablen, welche das Verfahren
nachteilig beeinflussen, ur, J die· Gewährleistung, daß die
anderen Variablen, d- h. die Schweißzustände kontrollier- bzw. steuerbar sind und Betriebsbereiche aufweisen,
welche breit genug sind, um das Verfahren durchgehend über längere Zeitspannen betreiben zu
können, ohne daß häufige Korrekturen und Einstellungen erforderlich werden.
-, Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Verfahrensweise der gattungsgemäßen Art so zu
verfeinern, daß in einfacher Weise qualitativ hochwertige Zwischenzellenverbindungen erzeugt werden können,
die eine ausreichende Festigkeit und Dichtigkeit
κι aufweisen sowie eine gute elektrische Verbindung der Schweißstellen gewährleisten, und gleichzeitig die
Überprüfung der Qualität der Verbindungsstellen durch einfache Maßnahmen zu ermöglichen. Vorrichtungsmäßig
besteht die Aufgabe darin, ein einfach aufgebautes Werkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens zu
schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß als Metall für die Fahnen eine
untereutektische Blei-Antimon-Legien\ng mit mindern stens 2% Antimon und einem gröberen Anteil einer
antimonreichen Phase verwendet wird, daß mit dem Aufbringen des Extrudierdruckes das Fahnenmetall
durch die Elektroden in die Öffnung bis zu einem anfänglichen Kontaktbereich von 15% bis 75% des
Öffnungsquerschnittes extrudiert und hinter den Elektroden eine rasch aufbrauchbare potentielle Energie
gespeichert wird, um unmittelbar auf eine Verringerung des Strömungswiderstandes der Extnidierabschnitt.e
des Fahnenmetalls einen schnellen Materialfluß des
jo extrudierten Fahnenmetalls zu bewirken, daß ein allmählich ansteigender Strom durch die Elektroden
geleitet wird, derart, daß das extrudierte Fahnenmetall stufenweise physikalisch umgewandelt wird, indem
zuerst das extrudierte Fahnenmetall vor dem Verschmelzen erweicht, dann die antimonreiche Phase und
schließlich die antimonarme Phase der Legierung im Kontaktbereich geschmolzen wird, wobei während der
Umwandlungen die gespeicherte potentielle Energie unter kontinuierlicher Aufbringung eines ausreichenden
Eleki Odendrucks auf das extrudierte Fahnenmetall
aufgebracht wird, um die geschmolzene antimonreiche Phase aus dem zentralen Kontaktbereich nach außen
gegen die Öffnungswandung vor einem wesentlichen Schmelzen der antimonarmen Phase unter Bildung
eines das antimonarme Zentrum der Verbindung umgebenden antimonreichen Ringes zu verdrängen,
und daß die Verfestigung unter radialer Erstarrung vom Zentrum der Verbindung nach außen hin durchgeführt
wird.
Durch die hinter den Elektroden gespeicherte potentielle Energie, welche auf die Elektroden einwirkt,
erreicht man ein außerordentlich schnelles Ansprechen der Elektroden in Anpassung auf die sich bei
Durchleitung des Schweißstroms in den er.trudietten Fahnenabschnitten einstellenden Zustände. Dort erfolgt
nämlich eine dreistufige Umwandlung, weil durch allmähliches Ansteigen des Schweißstroms von einem
Minimalwert zu t !nem Maximalwert zuerst eine Erweichung des extrudierten Fahnenmetalls im Kon-
M) taktbereich vor dem Verschmelzen erfolgt und anschließend
die antimonreiche Phase und dann dl: antimonarme Phase im Kontaktbereich geschmolzen wird.
Aufgrund der gespeicherten potentiellen Energie wird beim Durchlaufen dei Elektroden stets ohne Verzöge-
b5 rung ein ausreichender Druck auf das Fahnenmetall
ausgeübt, wodurch die antimonreiche Schmelze schnell zur Öffnungswand bewegt wird, bevor das antimonarme
Material schmilzt. Dadurch erfolgt eine vollständige
Ausfüllung der öffnung und eine leerstellenfreie Zwischenzellenverbindung. Eine solche an die Bleimobilität
angepaßte verzögerungsfreie Kraftaufbringung wird durch die konventionellen hydraulischen Spannzylinder
nicht erreicht, da stets eine Momentanverzögerung zwischen der Elektrodenbewegung als Folge des
Nachgebens des extrudieren Metalls und des sich wieder aufbauenden Drucks im Zylinder vorhanden ist.
Gerade diese augenblicklich fehlende Reaktionsbereitschaft hat qualitativ geringwertige Schweißstellen zur
Folge. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die oben geschilderten Vorgänge in Bruchteilen von Sekunden
erfolgen, so daß sich das langsame Ansprechverhalten der Hydraulikzylinder entsprechend auswirkt, wohingegen
die aufgrund der gespeicherten potentiellen Energie außerordentlich schnell sich den verändernden Verhältnissen
in der extrudierten Legierung anpassenden Elektroden verzögerungsfrei für den ausreichenden
Exirusiorisdruck und dämii tür eine entsprechende
Füllung des Öffnungsquerschnitts sorgen.
Zusammengefaßt ist dadurch, daß nach Maßgabe der Erfindung eine untereutektische Blei-Antimon-Legierung
mit zwei Antimon-Phasen, schnell ansprechende Elektroden und ein ansteigender Schweißstrom v;rwendet
wird, die Schaffung einer im wesentlichen von Leerstellen freien Zwischenzellenverbindung möglich.
die auch eine Überprüfung der Beständigkeit des Produktionsverfahrens erlaubt. Eine nach Maßgabe des
oben geschilderten Verfahrens hergestellte Zwischenzellenverbindung kann in der Teilungsebene der
Batterie bis zu einem Bruch verdreht werden, wobei die dabei entstehende Bruchzone den antimonarmen Kern
aufzeigt, dessen Größe gemessen und mit Standardwerten verglichen werden kann, um eine entsprechende
Einstellung der Schweißbedingungen vorzunehmen. Beispielsweise muß bei einem zu geringen antimonarmen
Kern der Maximalstrorr. verringert werden, weil
die Schweißstelle zu heiß war. Umgekehrt muß bei einem zu großen antimonarmen Kern der Strom erhöht
werden, so daß wieder ein entsprechend großer antimonreicher Außenring entsteht, welcher den antimonamen
Kern umschließt. Durch die Vorspannung der Elektroden mit einer schnell aufbrauchbaren
potentiellen Energie in Verbindung mit dem allmählichen Ansteigen des Schweißstroms werden die extrudierten
Fahnenabschnitte allmählich so erwärmt, daß sie zuerst erweicht werden, dann ein Zustand eintritt, bei
welchem die antimonreiche Phase schmilzt und schließlich ein Schmelzen der antimonarmen Phase
erreicht wird. Während dieser allmählichen Umwandlung üben die ELiktroden verzögerungsfrei einen
ausreichenden Druck auf die Schweißverbindung aus, so daß die antimonreiche Phase vor dem Schmelzen der
antimonarmen Phase aus dem Zentrum gegen die Öffnungswand verdrängt wird. Dies hat zur Folge, daß
die Erstarrung gerichtet vom Zentrum nach außen durchgeführt werden kann. Dadurch wird die Bildung
von Schrumpfspannungen, die Leerstellen hervorrufen können, minimiert
Vorteilhafterweise weist die benutzte Blei-Antimon-Legierung 2% bis 4,5% Gewichtsanteile Antimon,
mindestens 0,03%, jedoch weniger als 03% Gewichtsanteile Zinn und weniger als 0.001 % Schwefel auf. Eine
derartige Legierungszuammensetzung schafft eine
verbesserte Zuverlässigkeit einer Berechnung bzw. Abschätzung durch den Indikaiorkern.
Vorteilhafterweise werden die Klemmkraft auf die Fahnen erhöht und der Druck auf die Fahnen-Extrudierteile
vermindert, während der elektrische Strom durch die Fahnen-Extrudierteile fließt und die Fahnen-Extrudierteile
das Erweichungs-, das antimonreiche Bleischmelz- und das antimonarme Bleischmelz-Stadium
durchlaufen.
Zwar ist die Verminderung des Extrudierdruckes auf die Fahnen während des Schweißverfahrens für sich aus
dei DE-OS 23 09 118 bekannt. Hier dient jedoch die Druckverminderung lediglich zur Vermeidung des
ίο Herausquetschens der entstehenden Bleischmelze aus
der öffnung in der Trennwand, was bei der Anordnung gemäß DE-OS 23 09 118 leicht eintreten könnte, da bei
dieser Anordnung keine die Fahnen gegen die Trennwand drückenden und daher abdichtenden
ι -, Klemmeinrichtung vorhanden ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführung des Verfahrens bzw. bevorzugte Ausführungen der Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens sind in den Ansprüchen 4 bzw. 5 bis 8 angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben; in dieser zeigt
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Frontansicht einer
erfindungsgemäß hergestellten Batterie,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines bei dem Verfahren
verwendeten Werkzeuges, in welcher die Anordnung der Teile im Anfangsstadium des Verfahrens gezeigt
sind,
F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2.
in F i g. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Werkzeuges der F i g. 2, in der die Stellung der Teile vor Betätigen des Werkzeuges dargestellt sind,
in F i g. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Werkzeuges der F i g. 2, in der die Stellung der Teile vor Betätigen des Werkzeuges dargestellt sind,
Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Werkzeuges der F i g. 2, in der der Zustand der Teile
)5 nach einem Anfangs-Kalt-Extrudieren des Verfahrens
gezeigt ist,
Fig.6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Werkzeuges, in der der Zustand der Teile nach dem
Beginn des Stromflusses und des Extrudierens jedoch ■in vor Verschmelzungsbeginn dargestellt ist,
Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Werkzeuges, in der der Zustand der Teile am Ende
des Schweißens (d. h. Stromdurchlaufes) dargestellt ist,
F i g. 8 die Teile, welche zwecke Beobachtung gebrochen sind, um einen Qualitätskontroll- bzw.
Steuervorgang durchführen zu können,
Fig.9 einen Indikatorkern, welcher für eine kalte
Schweißstelle charakteristisch ist,
F i g. 10 eine optimale Indikator-Kerngröße,
so Fig. 11 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Li.iie 11 -11 der F i g. 2, in der das Antriebsgestänge dargestellt ist, und
so Fig. 11 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Li.iie 11 -11 der F i g. 2, in der das Antriebsgestänge dargestellt ist, und
Fig. 12 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie
I2-12derFig.2.
Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte Werkzeugausröstung, wobei die verschiedenen Stufen zur Durchführung
des Verfahrens dargestellt sind. Die F i g. 1 zeigt eine Batterie mit Plattengruppen bzw. -Sätzen 2 in
separaten Zellen bzw. Elementen der Batterie und eine Zwischenzellenverbindung 4, welche die positiven
Platten der einen Gruppe mit den negativen Platten der unmittelbar angrenzenden Gruppe durch die zwischen
diesen liegende Trennwand elektrisch verbindet Die F i g. 2, 3,10 und 11 stellen eine bevorzugte Werkzeuges
ausrüstung zur Durchführung des Verfahrens dar, in denen eine Kniehebel-Punktschweißzange bzw. -Spreizelektrode
zur Herstellung von einer Zwischenzellenverbindung gezeigt ist In der Praxis jedoch wurden
zusätzliche Werkzeuge so angeordnet werden, daß gleichzeitig mehrere oder alle (fünf im Falle einer
12 Volt-Batterie) r*er Zwischenzellenleiter geschweißt
werden. Gemäß F i g. 2 sind gegenüberliegende Elektroden 6 mit Kupferelektrodenhaltern 8 befestigt, welche
ihrerseits an Gleitteilen 10 angebracht sind, die horizontal in Führungen 12 gleiten (F i g. 12). Elektrische
Energie wird zu den Elektroden 6 durch Verbindungen 7 zu einer geeigneten Quelle (nicht dargestellt) gespeist.
Eine elektrische Isolation 14 wie z. B. ein fewebeverstärktes
Phenolharz ist wie gefordert vorgesehen, um die Halter 8 von den Gleitteilen 10 und folglich von dem
Rest der Werkzeugeinrichtung zu isolieren. Die Elektrodenhalter 8 werden aufeinander zu und voneinander
weg bewegt, während die Gleitteile 10 sich in Reaktion auf die Bewegung der Hebelarme 16 bewegen,
welche um Bolzen 18 schwenken, die an einem Teil 19 des Rahmens 21 der Einrichtung angebracht sind, und
steuern die Gleitteile 10 hin und her. Die Hebelarme 16 sind selbst durch zweiteilige Eletätigungsarme 20
angetrieben, welche an diesen durch Schwenkbolzen 22 befestigt und miteinander in einem Kniegelenk 23 bei
der Ausgangswelle 24 eines hydraulischen Zylinders (nicht dargestellt) verbunden sind. Ein umgekehrtes
U-förmiges Verbindungsglied 25 verbindet die Ausgangswelle 24 mit dem Kniegelenk 23. Die äußeren
Enden 27 des Bolzens in dem Kniegelenk 23 sind in Bronzelagern 29 (Fig. 11) gehalten, welche nach oben
und nach unten in Führungen 31 gleiten. Die Kraftd'.rchgangs-Tellerfedern 26 sind zwischen jedem
der zwei Teile des Betätigungsarmes 20 wie dargestellt angeordnet, wobei die Federn 26 durch Führungsstifte
28 zentrisch eingestellt sind und deren Druck durch scheibenähnliche Einlegeteile 30 eingestellt ist.
Die Polyurethan-Polster 32 hoher Dichte sind um jede der Elektroden 6 herum vorgesehen und dienen
dazu, die Batterieplatten-Fahnen 33 fest gegen die Wände einer Zwischenzellenabtrennung während der
Extrudier-, Fusionier- und Kühlstufe des Schweißvorganges zu klemmen. Die Enden der Elektroden 6 stehen
geringfügig (z. B. ca. 0,0254 cm) von der Fläche des Polsters hervor, so daß ein Eindringen bzw. Durchstoßen
der Fahnen 33 geringfügig bei einem Fortschreiten der Klemmbewegung der Polster 32 eintritt. Dies
verringert etwas die Kraft, welche auf andere Weise erforderlich ist, um die zusätzliche Größe eines Druckes
der härteren Polster 32 während des Schweißens zu bewirken. Bei weicheren Polstern 32 können die
Elektroden 6 bezüglich der Fläche der Polster 32 plan verlaufen oder sogar unter die Fläche niedergepreßt
sein, was von dem Gesamtkräfte-Gleichgewicht in dem System abhängig ist. Eine Aussparung 34 ist in der
Fläche eines jeden Polsters 32 vorgesehen und entspricht im wesentlichen der Form der Fahnen 33, wie
dies in F i g. 3 dargestellt ist. Die Breite und die Tiefe der Aussparung 34 sowie ihre Nähe zu dem Rand der Fahne
33 gestattet eine Einstellung der Kompressibilität bzw. Zusammendrückbarkeit der Urethan-Polster 32 und
folglich der Kraft, weiche durch diese Polster ausgeübt wird. Die Aussparung verringert auch lokalisierte
Spannungsansammlungen bzw. -spitzen in dem Polster und erhöht dessen Lebensdauer sehr. Die Klemmflächen
der Urethan-Polster 32 können einen Winkel aufweisen, welcher so groß ist wie der Aufrißwinkel der
Fahnen 33, so daß eine gleichmäßige Klemmkraft ausgeübt wird. In der bevorzugten Ausführungsform
jedoch überschreitet der Winkel der Klemmfläche den Aufrißwinkel der Fahnen um 2° bis 6" (bevorzugterweise
4°), um im oberen Teil der Fahne eine größere Kraft als an deren Basis auszuüben.
Das Elektrodenkühlmittel tritt in die Elektroden 6 durch ein Anschlußteil 35 ein und fließt durch geeignete
Kanäle (nicht dargestellt) in die Elektroden 6. Ein besonderer Vorteil bei einer Verwendung von Urethan-Polstern
32 liegt darin, daß diese leicht ohne sie auswechseln zu müssen hart oder weich werden, indem
lediglich die Temperatur und/oder die Strömungsrate
ίο des Elektroden-Kühlmittels verändert wird und dadurch
eine andere Einrichtung einer »Feinabstimmung« des Kraftsystems der Einrichtung geschaffen wird, wenn
dies erforderlich ist.
Im Betrieb ist die Batterie mit den bandförmigen Platten-Fahnen 33 zwischen den Elektroden 6 gemäß
Fig.4 angeordnet, wobei der hydraulische Zylinder
anschließend so betätigt wird, daß seine Ausgangswelle 24 vollständig narh unten getrieben wird, bis sie gegen
den Anschlag 36 cnstößt. Zu dieser Zeit beaufschlagen
und komprimieren die Durchgangs- bzw. Übertragungsfedern 26 die eingeschlossenen Polster vollständig, und
es ist somit das System »verschlossen«, und es findet das Anfangs-Kaltextrudieren gemäß Fig. 5 statt, in der die
Fahnen-Extrudierteile 38 aus den Fahnen 33 herausge-
stoßen gezeigt sind und sich in einer öffnung 40 in der
Zwischenzellenwand treffen. Ein abgeflachter Zwischenflächenbereich 39, welcher zwischen den Extrudierteilen
38 ausgebildet ist, umfaßt 15 bis 75% der Fläche der öffnung 40. Die nun komprimierte
Übertragungsfeder 26 ist nun in der Lage, die Quelle für die rasche durchlaufende Kraft zu schaffen, welche von
dem System gefordert wird. Als nächstes wird der Schweißstrom eingeschaltet und allmählich auf seinen
Maximalwert erhöht. Die Fahnen-Extrudierteile 38 werden aufgeheizt, schmelzen und fließen unter der
durch die Federn 26 ausgeübten Kraft in geringem Maße, um die Öffnung 40 mit dem weichen, jedoch noch
festen Metall noch mehr gemäß F i g. 6 auszufüllen. An dieser Stelle bleibt etwas Leerraum in der Form eines
■to Ringes 42 in der öffnung um die Fahnen-Extrudierteile
38 angrenzend an die Wand der öffnung zurück. Fast unmittelbar nach dem Erweichen des Fahnenmetalls
erhöht der ansteigende Strom die Temperatur der Fahnen-Extrudierteile 38 an deren Zwischenfläche 39
bis zu dem Schmelzpunkt der antimonreichen Phase der Legierung, und es schmilzt diese Phase. Während des
Schmelzens und unter der unmittelbar verfügbaren ausgeübten Kraft der Durchgangsfedern 26 wird die
antimonreiche Phase aus der Mitte der Schweißstellenzone in den ringförmigen Leerraum 42 ausgeschieden,
bevoi ein nennenswertes Schmelzen der antimonarmen phase eintritt. Dies hat die Ausbildung eines antimonreichen
Ringes b (F i g. 7) in dem zuvor leeren Raum 42 und ein antimonarmes Mittelteil a (Fig.7) zur Folge.
Während des restlichen Schweißzyklus erhitzt sich das antimonarme Mittelteil a auf seinen Schmelzpunkt, und
es tritt schließlich eine Fusionsverbindung der Mittelteile ein. Der antimonarme Bereich a der F i g. 7 ist
schwächer als der antimonreiche b, und da dieser der letzte zu schmelzen ist, ist seine Größe und/oder sein
Grad der Verschmelzung ein Indikator dafür, welche Energieeinstellungen bei dem System vorgenommen
werden sollten.
Um den Prozeß zu überwachen wird periodisch eine Batterie aus der Linie bzw. Behandlungsstrecke heraus
entfernt und seine Leiter unmittelbar bis zu einem Bruch gemäß F i g. 8 verdreht. Ein Bruch 46 wird immer in dem
Bereich a erfolgen, wo die Verbindung am schwächsten
ist und welcher der letzte zum Schmelzen war. Die Größe (d. h. Durchmesser) dieses zuletzt geschmolzenen
Teiles a zeigt bei einer Betrachtung der Bruchflächen 46 gemäß Fig.9 und 10 an, ob die
Schweißzustände einer Einstellung bedürfen, um das Verfahren wieder in die richtige Bahn zu lenken. Ein
großer Indikntorkern a (Fig.9) zeigt an, daß die Energie erhöht werden muß, um die Kerngröße auf eine
Größe gemäß Fig. 10 zu reduzieren. Wenn kein Kern gezeigt ist, sollte die Energie herabgesetzt werden, um ι ο
einen Kern ähnlich demjenigen gemäß Fig. 10 zu
erzeugen, der als ein »Bezugspunkt«-Indikator dient, von dem aus Korrekturen beurteilt werden. Bei einem
anderen Indikatorkern-Test kann die Verbindung ungefähr 4 Stunden altern, bis der Mittelkern bis zu
einem Maße hart geworden ist, daß er stärker ist als das ungeschmolzene Fahnenmetall. Gut verschmolzene
Verbindungen werden dann längs der Zwischenfläche zwischen dem ungeschmolzenen und dem reknstallisierten
Metall gebrochen, es wird jedoch dem Kern ein energieschwaches, schwach fusioniertes Metall noch
fehlen. Wenn gealterte Brüche Kerne mit einem Durchmesser von mehr als 0,5 cm aufzeigen, wird eine
erhöhte Energie verlangt.
In einem Ausführungsbeispiei der Erfindung sind die bandförmigen Fahnen 0,546 cm dick gegossen, weisen
einen Aufrißwinkel von 2° auf der Hinterseite der Fahnen auf und sind aus einer Legierung mit 3% Sb,
0,2% Sn, 0,0005% S und 0,2% As im Gewicht, wobei der Rest hauptsächlich Blei ist. Die Fahnen sind auf beiden
Seiten einer Zwischenzellenwand angeordnet, welche ein - copolymeres Äthylen-Propylen-Material aufweist,
eine Dicke von 0,177 cm und eine Durchmesseröffnung von 1,016 cm hat. Die Schweißelektrode weist einen
Durchmesser von 0,792 cm auf, und ist von einem Ja Ürethan-Klemmpolster mit einem Durchmesserloch
Von 1,02 crn umgeben, durch welches die Elektrode
verläuft. Das Klemmpolster weist ein vakuumentgastes Polyurethan mit einer »D«-Shore-Härte von 42—47 und
einen Klemmflächenwinkel von 4° (eine 2°-Fehlanpassung bezüglich des Teiles) auf. Die Übertragungs-Tellerfedern
sind hierbei so gewählt, daß auf den Elektroden eine Kraft von ungefähr 4717 N, eine Klemmkraft von
889 N in den Urethan-Polstern bei Schweißbeginn eine Kraft von 2491 N auf den Elektroden und eine Kraft von
1598 N auf den Polstern bei Schweißende als eine reine Übertragungs- bzw. -Durchlaufkraft geschaffen sind,
welche durch die Tellerfedern auf die Elektroden während des Schweißens ausgeübt wird und ungefähr
1510N beträgt Nach dem Anfangs-Extrudieren wird so der Strom allmählich zu den Teilen bis zu einer
Gesämtschweißperiode von sechs Zyklen eingespeist, mit einem Beginn von ungefähr 25% Anfangsstrom und
einem Ende von ungefähr 78% des Maximalstromes der verwendeten Einrichtung. Die Schweißeinheit weist
25 KVA auf, so daß ein offener Stromkreis eine Spannung von 8,2VoIt und ein geschlossener Stromkreis
eine Spannung von ungefähr 1,5 bis 2,5 Volt hat, weiche natürlich während des Schweißzyklus des
Hochziehens zunimmt Der Strom variiert zwischen ungefähr 4200 Ampere am Anfang und ungefähr
14 000 Ampere maximal. Bei diesen Bedingungen wird eine schnelle Elektrodenbewegung zwischen dem
dritten und dem sechsten Schweißzyklus erhalten, gefolgt von einem Abflachen der Elektrodenbewegungsspur
nach einem Ausschalten des Stroms und während des Restes des Schweißhaltezyklus. Die
erzeugte Schweißstelle weist einen Indikatorkern mit einer Größe v«>n ungefähr 0,381 cm auf und das
erhaltene Drehmoment beträgt ungefähr 7,35 Nm.
Es wird nunmehr die dem oben beschriebenen Verfahren bzw. der oben beschriebenen Vorrichtung
zugrundeliegenden theoretischen und praktischen Überlegungen ausführlich beschrieben.
Wie aus dem oben gesagten hervorgeht, werden die Fahnen kaltextrudiert, um Kontaktbereiche zwischen
den gegenüberliegenden extrudierten Fahnen zu schaffen, die zwischen 15 und 75% der Öffnungsfläche
betragen, und es werden schnellansprechende Elektroden in Verbindung mit einem besonderen Schweißplan
mit allmählich ansteigendem Schweißstrom verwendet, um drei deutliche physikalische Veränderungen in dem
Fahnen-Extrudierungsmittel zu bewirken, nämlich
1. Erweichen und Umformen.
2. Schmelzen einer antimonreichen Phase und
3. Schmelzen einer antimonarmen Hhase.
Der Ausdruck >schnellansprechende« Elektroden bedeutet die Fähigkeit der Elektroden, sofort und
wirkungsvoll jedem Ergebnis der Fahnen zu folgen, wenn diese ihre physikalischen Eigenschaften ändern.
Das rasche Ansprechen wird vorteilhafterweise mit Kraftabnahme-Elektroden und einem Kraftzunahme-Klemmen
geschaffen. Der Ausdruck »Kraftabnahme-Elektroden« bedeutet u. a. eine allmähliche Verringerung
der durch die Elektroden ausgeübten Kraft, während die Bleilegierung weich wird und schmilzt. Der
Ausdruck »Kraftzunahme«-Klemmen beinhaltet einen allmählichen Anstieg der Klemmkraft, während das Blei
erweicht und schmilzt.
Die Fahnen, die aus einer untereutektischen Blei-Antimon-Legierung
mit zumindest 2Gew.-% Antimon gegossen werden, werden fest gegen die Trennwand am
Verschweißungsort geklemmt, und Teile der Fahnen
werden kaltextrudiert, um in der öffnung in der Wand (siehe F i g. 5) miteinander in Berührung zu kommen, um
einen Anfangskontaktbereich zwischen 15 und 75% der Öffnungsfläche zu erzeugen. Die Größe des iContaktbereiches
beeinträchtigt den Anfangskontaktwiderstand, der seinerseits die Größe der Wärmeenergie nachteilig
beeinflußt, welche sich anfangs in dtr Schweißstelle verteilt. Nachdem die Teile in der Öffnung sich in einem
Kontakt befinden, wird der Schweißstrom eingeschaltet und allmählich bis zu seinem Maximalwert aufgebaut.
Diese Technik einer allmählichen Zunahme des Schweißstromes ist bei dem Widerstands-Schweißverfahren
als »Hochziehen« bekannt, und es können mit dieser Technik sowohl die Anfangs- als auch die
Endstromwerte verändert werden, um ein nahezu unendliches Stromanstiegsmuster zu schaffen. Auch
können Kombinationen aus »einem Hochziehen und einem Halten« oder »einem Hochziehen und einem
Absenken« verwendet werden, wobei diese jedoch gegenüber einem alleinigen Hochziehen keine besonderen
Vorteile zu haben scheinen und zudem mehr Steuerungseinrichtungen benötigen. Bei der Vorgehensweise
eines konstanten Hochziehens wird eine Schweißzeit von zumindest drei Zyklen und nicht mehr als ca. elf
Zyklen bevorzugt. Unter drei Zyklen geht der Effekt des Hochziehens verloren und über elf Zyklen tritt ein
Verzug der Trennwand (aus Kunststoff hergestellt) durch Hitze ein. Schweißzeiten von fünf bis sieben
Zyklen sind besonders bevorzugt
Als Folge des Hochziehens des Schwe;ßstromes
erhitzen sich langsam die Fahnen-Extrudierteile, wer-
den weich und vergrößern sich etwas unter der ausgeübten Elektrodenkraft, welche mehr Fahnenmaterial
in die öffnung e-;trudiert, um die Öffnung noch mehr
auszufüllen, gerade bevor das Schmelzen beginnt (siehe Fig.6). Gleichzeitig nimmt die Verbindungsstelle
zwischen den Fahnen-Extrudierteilen in der Fläche zu, wodurch der Kontaktwiderstand der Verbindung
herabgesetzt wird. Es bleibt noch etwas leerer Raum in der Öffnung· hauptsächlich in der Form eines die
Verbindungsstelle umschließenden Ringes im Bereich der Wand der öffnung. Der Stromfluß besorgt einen
immer größer werdenden Wärmeanstieg in den Extrudierteilen, wodurch die Temperaturen der Verbindungsstelle
ständig ansteigen, bis diese schließlich den Schmelzpunkt der antimonreichen Phase der Blei-Antimon-Legierung
überschreitet. Die feinen Körnchen der antimonreichen Phase schmelzen rasch und unter der
fort^setzten äüsCTeübten Kraft der schne!!snsnrechenden
Schweißelektroden wird die nun flüssige antimonreiche Phase aus der Schweißzone in den restlichen
leeren Raum ausgeschieden (siehe F i g. 7). Die schnellansprechenden Elektroden gewährleisten, daß der leere
Raum mit der niedrigeren Schmelzphase ausgefüllt wird, bevor ein wesentliches Schmelzen der schwerer
schmelzenden antimonarmen Phase eintritt. Schließlich erreicht die Temperatur in der Nähe der Schweißzonenmitte
den Schmelzpunkt der antiinonarmen Phase, welche dort verbleibt und ebenfalls zu schmelzen
beginnt und die Verbindung der Fahnen-Extrudierteile endgültig herstellt. Die Zusammensetzung der Fahnenlegierung
ist wichtig und muß so sein, daß eine ausreichende Menge der niedrigeren Schmelzphase
geschaffen wird, um die in der öffnung zurückgelassenen leeren Räume unter den ausgeübten Kräften
auszufüllen, bevor ein nennenswertes Schmelzen der bleireichen Phase vorhanden ist. Die Legierungsbestandteile
müssen dies bewirken. Sie müssen so sein, daß die Härte der Bleilegierung in einem Bereich gehalten
wird, in dem eine Kaltausbildung der vorstehenden Kontaktbereiche möglich ist. In Legierungen, die mehr
als ca. 4,5% Antimon enthalten, scheint der Antimongehalt allein ausreichend zu sein, die erforderliche Härte
und die Menge der antimonreichen Phase zu schaffen. Liegt jedoch der Antimongehalt im Bereich von
ungefähr 2% bis ca. 4,5%, sind die Ergebnisse weniger zuverlässig bzw. zufriedenstellend und es wird demgemäß
bevorzugt bei Legierungen mit derartigen Antimonverhältnissen in die Legierung gesteuerte
Mengen von Zinn und Schwefel einzuschließen. Der Zinngehalt wird in dem Bereich von 0,03 bis weniger als
ungefähr 03% Gewichtsanteilen gehalten (vorzugsweise ungefähr 0,2%). Der Schwefelgehalt sollte ausreichend
sein, eine Kömchenverfeinerung nach dem Gießen zu bewirken, beträgt jedoch nicht mehr als
0,001 Gew.-%. Der Rest der Legierung ist »hauptsächlich Blei«, worunter zu verstehen ist, daß nicht nur reines
Blei enthalten ist, sondern auch Kombinationen von Blei mit anderen Zusätzen bzw. Bestandteilen vorhanden
sind, die normalerweise in verschiedenen Verhältnissen bei Blei-Antimon-Legierungen zur Herstellung von
Batterien anzutreffen sind. Typischerweioe könnten Kupfer, Eisen, Nickel, Silber, Wismuth, Zink und
Cadmium gewöhnlicherweise mit Werten von weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% und Arsen bis zu ca. 03%
eingeschlossen sein.
Das stufenweise Schmelzen durch das Hochziehen erzeugt nicht einen ebenso hohen Flüssigkeitsdruck in
der Öffnung, wie dies der Fall sein würde, wenn ein ini
wesentlichen gleichzeitiges Schmelzen der Fahnen-Extrudierteile vorhanden ist. Folglich neigt das Metall nur
gering dazu, aus der öffnung bei den Kräften zu spritzen, welche für nicht leckende leerraumfreie
Verbindungen erforderlich sind. Die Verwendung von Elektroden mit einer abnehmenden Kraftausübung
während des Schweißens verringert weiterhin die Wahrscheinlichkeit eines Plätscherns bzw. Planschens,
wie dies nachfolgend in Einzelheiten näher beschrieben
to ist.
Während das Fahnengußteil abkühlt, wird die Legierung in eine feinkörnige Struktur abgesondert,
velche einen größeren Teil einer antimonarmen Phase mit einem hohen Schmelzpunkt (d. h. alpha-Mischkristall)
und einen kleineren Teil einer antimonreiche: Phase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt (Mischung
aus alpha- und beta-Mischkristallen im eutektischen oder nahe dem eutektischen Verhältnis) aufweist,
welcher über die gesamte antimonarme Phase verteilt ist. Die feinen Körner bzw. Kristalle der antimonreichen
Phase erhärten die feste Legierung dergestalt, daß die Anfangskaltextrudierung einen Kontaktbereich nicht
über 75% der Fläche der öffnung hervorruft, und schmelzen schnell, wenn deren Schmelzpunkt während
des Schweißens erreicht ist. Das Schweißen folgt vorteilhafterweise kurz nach dem Gießen und bevor
eine nennenswerte Zeithärtung der Legierung eintritt, da eine Zeithärtung eine andere Variable in das System
einführt, für die eine Einstellung bzw. Abstimmung erforderlich wird.
Die Größe der Verbindung, welche zwischen der hochschmelzenden, antimonarmen Phase oder dem
Mittelteil der Verbindung ausgebildet wird, wird als eine
Anzeige für die Qualität der erzeugten Schweißstelle und für die Stabilität der Schweißzustände benützt. Die
Größe dieser Verbindung wird nach einem Verdrehen des Leiters bis zu einem Bruch sichtbar, indem zuerst
eine der Fahnen verankert und anschließend die andere Fahne in der Ebene der Trennwand gedreht wird, bis das
Zwischenzeil-Verbindeteil bricht (siehe F i g. 8). Da die antimonarme Verbindung schwächer als die antimonreiche
ist, tritt der Bruch im wesentlichen unveränderlich
durch die bzw. in der schwachen Verbindung ein und dadurch wird diese in der Bruchebene freigelegt. Die
freigelegte zerbrochene schwache Verbindung erscheint als eine entfernte Insel auf den Flächen des
zerbrochenen Leiters. Diese Inseln der zerbrochenen schwach verbundenen Legierung werden nachfolgend
als »Indikatorkerne« bezeichnet Die Newtonmeter-Zahl, weiche erforderlich ist um den Leiter bis zu einem
Bruch zu drehen, zeigt die Stärke der Schweißstelle an. Eine kalte Schweißstelle (d. h. nicht genügend Wärmeenergie)
liefert einen großen Indikatorkern. Derartige Verbindungen haben normalerweise Stärken von
weniger als 5,64 Nm, und es weisen die Kerne einen Durchmesser auf, der größer als 0,762 cm ist wobei der
Öffnungs/Verbindungs-Durchmesser 1,016 cm beträgt. Schweißstellen mit Indikatorkernen von weniger als
0,762 cm im Durchmesser sind annehmbar. Die Abwesenheit von Kernen zeigt an, daß die Schweißstellen
entweder zu heiß und demzufolge an der Schwelle des Plätscherns sind oder einen nicht ausreichenden
Elektrodendurchfluß haben, was zu porösen Schweißstellen führen kann. Unter porösen Schweißstellen wird
eine Verschweißung verstanden, welche bei einer Vakuum-Imprägnierungs-Behandlung (2 mm Hg über
3 min) mit einem fluoreszierenden öl und bei einer UV-Lichtbeobachtung der Bruchprobe keine wesentli-
ehe Durch- bzw. Eindringung des Öles in die
Schweißzone zeigt Poröse Schweißstellen neigen dazu, eine/Verbindungsstelle zu schaffen, welche mit der Zeit
korrodiert, wenn diese konstant bzw. ständig dem Batterieelektrolyten aasgesetzt sind. Von einem Prozeß-Kontroll- bzw. -Steuerungs-Standpunkt aus wird
ein Indikatorkern mit einem Durchmesser von 0,254 cm als ein Bezugspunkt ausgewählt, von welchem Abweichungen gemacht werden können, um die Prozeßstabilität zu bestimmen. Mit anderen Worten wird das
Verfahren bzw. der Prozeß so ausgerichtet, daß 0,254 cm-Kerne hergestellt werden, und es werden
Abweichungen davon verwendet, um zu bestimmen, in weiche Richtung das Verfahren während des Verlaufs
eines Durchgangs getrieben wird und wo Korrekturen vorgenommen werden sollten. Die Schweißstellen mit
den 0,254 cm-Kemen weisen kurz nach dem Schweißen eine Drehmomentstärke von ungefähr 8,47 Nm auf.
Dieses wird sich natürlich verändern, was von der genauen Zusammensetzung der Legierung abhängig ist,
welche verwendet wird, um die Verbindung herzustellen und die Größe der Zeithärtung festzulegen, welcher die
Legierung nach dem Schweißen ausgesetzt ist Befindet sich die Kerngröße außerhalb des Kontroll- bzw.
Steuerbereiches von 0,254—0,762 cm müssen ein oder mehrere Schweißzustände eingestellt werden, um das
Verfahren wieder in die richtige Richtung zu lenken. Offensichtlich könnte man Kerne erhalten, die kleiner
als 0,254 cm sind, und noch sehr gute Schweißstellen
haben, dies bedeutet jedoch, daß das Verfahren entweder sich einem Heißschweiß-Zustand nähert oder
eine Verminderung der Elektrodenansprechzeit erfährt, was sofort korrigiert werden sollte, bevor eine Anzahl
von Batterien nachfolgend mit verminderter Qualität zusammengebaut werden. Da die Schweiß- und
Klemmkräfte größtenteils in der Maschine aufgebaut werden und beschwerlich einzustellen sind, können die
Kerngrößen dadurch gesteuert werden, daß nur die elektrischen Stromvariablen variiert werden. Beispielsweise können die Kerne in der Größe deutlich
verringert werden (z, B. von einem Durchmesser von 0,762 cm), indem lediglich der Maximalstrom erhöht
wird, oder es können die Kerne geringfügig in der Größe verringert werden, indem der Anfangsstrom
heraufgesetzt wird. Auf ähnliche Weise können die Kerngrößen deutlich in der Größe erhöht werden,
indem der Maximalstrom verringert wird, und es können die Kerngrößen geringfügig in der Größe
erhöht werden, indem der Minimalstrom verringert wird.
Es wurde herausgefunden, daß brauchbare Kerne mit
den meisten Blei-Antimon-Legierungen erzeugt werden können, welche mehr als ungefähr 4,5% Antimon
aufweisen, aber bei denjenigen mit einem Antimongehalt von ungefähr 2 bis 4,5% werden brauchbare
Indikatorkerne nur erzeugt, wenn der Zinn- und Schwefelgehalt in den vorstehend beschriebenen
Bereichen gesteuert wird. In diesem Zusammenhang wurde beobachtet, daß die Kerne, welche bei einer
Extrudierungs-Verschmelzungs-Verschweißung erzeugt werden, nicht nur durch die Schweißzustände
beeinträchtigt werden, sondern auch ganz erheblich durch die Zusammensetzung der Legierung. Es wurde
beobachtet, daß beispielsweise dann, wenn der Schwefel- und Zinngchalt einer 2 bis 4,5%igen Pb-Sb-Legierung nicht gesteuert wird, die Kerngröße unabhängig
von den Schweißzuständen variiert und dadurch eine Kernberechnungstechnik wertlos macht, was eine
aussagekräftige Schweißzustandanzeige betrifft Es wurde herausgefunden, daß durch Steuern des Schwefel- und Zinngehaltes innerhalb der spezifizierten engen
Bereiche und Verschweißen der Teile durch das vorstehend beschriebene
>Hochziehen« des Stromes und schnellansprechende Elektroden Indikatorkerne erzeugt werden, welche abhängig von den Schweißzuständen sind und somit ein zuverlässiger Maßstab zur
Bestimmung der Schweißzustands-Stabilität sind. Neben den Flüssigkeitsgrad-Vorteilen erscheint das Zinn
gerade die richtige Größe einer Härte zu schaffen, um wiederholt ungefähr di? gleiche Größe von Schweißextrudierteilen und von Kontaktwiderständen zwischen
den Extrudierteilen zu erzeugen, während der Schwefel is hauptsächlich die Korngrößenverfeinerung zu verteilen
scheint
Sowohl Zinn als auch Schwefel werden normalerweise in den meisten Blei-Antimon-Legierungen zur
Verwendung in Batterien angetroffen, jedoch nicht mit gesteuerten bzw. kontrollierten Pegeln, wie dies
vorstehend beschrieben ist Den Batteriegittergußlegierungen wurde somit zweckmäßigerweise Zinn in
Mengen bis zu 1% hinzugefügt, um den Flüssigkeitsgrad der Schmelze zu erhöhen und um eine Gußtiegelverschlackung durch Oxidieren zu einem nassen und dicken
zinnreichen Oxid reduzieren zu helfen, welches oben auf der Schmelze schwimmt und den Tiegel gegen
Oxidation abdichtet Auf ähnliche Weise wird oftmals Schwefel in dem Blei zur Herstellung von Batterien
angetroffen und gewöhnlich als eine Verunreinigung eingereiht welche eine Sprödigkeit verursacht Dieser
ist im Blei bis ungefähr 0,0001% löslich, wobei er außerhalb dieses Bereiches dazu neigt, kornbildende
Sulfidkerne auszubilden. Schwefel verbessert ähnlich wie Zinn den Flüssigkeitsgrad der Schmelze und bildet
eine Oxidationsschranke in dem Gußtiegel.
Die Blei-Antimon-Legierung mit obigem Zinn- und
Schwefel-Verhältnissen bietet besondere Vorteile bei der Auf-Band-Guß-Version des Gießvorganges (d. h.
wo die Bänder direkt auf bzw. an die Platte gegossen werden). Alle Auf-Band-Guß-Verfahren benützen entweder zentrale Haltetiegel und entfernte Sammelleitungen oder Haltebehälter mit Dosierventilen oder
Versetzungsgewichten, um ein genaues Bleivolumen in eine Bandgießform zu leiten. Diese Genauigkeit
gewährleistet einen guten Wärmeausgleich des Systems und eine gute Verschmelzung der Gußbänder mit den
Gitterfahnen ohne Schmelzen der Plattenfahnen. Ein Problem bei derartigen Blei-Dosiervorrichtungen ist,
so daß diese einer Korrosion herrührend von dem geschmolzenen Blei ausgesetzt sind und daß Metalloxide zum Beschichten und Ansammeln auf Verteilteilen,
Öffnungen und Oberflächen neigen, wodurch eine Veränderung in der Größe bewirkt wird und rauhe
Oberflächen entstehen, was die Genauigkeit der verteilten Menge ernsthaft beeinträchtigt. Die Zinn- und
Schwefelmengen tragen zu dieser Verschlechterung in der Verteilgenauigkeit bei und bilden eine reaktive
Oberflächenschlacke, wenn diese Mengen aus Zinn- und Schwefelpegeln hergestellt werden, welche normalerweise in der Batterie-Industrie Verwendung finden,
wobei die Schlacke das Ansammlungsproblem bei einer Abmeßeinrichtung erschwert, obgleich diese zum
Abdichten der Gußtiegel geeignet ist. Durch Begrenzung des Schwefelgehaltes auf ein Maximum von
0,001% (vorzugsweise 0,0003—0,0007%) wird die Oxidansammlung auf den Verteilteilen minimiert. Wird
der Zinngehalt bis auf 0,3% maximal gehalten, ist
ebenfalls die Korrosionswirkung des Bleis auf die
Ventilmäterialien nicht annähernd so'groß, und das
klebrige Zinnoxid sammelt sich nicht in nennenswerter Weise auf der Meßeinrichtung an, um ihren genauen
Betrieb zu verhindern.
Die Verbindung eines Schweißens durch »Hochziehen« mit Blei-Antimon-Legierungen, welche mindestens ca. 2% Sb aufweisen, und die Verwendung von
schnellansprechenden Schweißelektroden hat zur Folge, daß Schweißstellen erzeugt werden, welche im
wesentlichen ohne Leerraum sind und hohe Kräfte aufweisen (d. h. über ungefähr 5,64 Nm). Dies'resultiert
offensichtlich aus der Umverteilung des Antimon in der öffnung, was während des Schweißens geschieht'Wie
gezeigt, wandert das niedrigschmelzende antimonreiche
Blei zur Außenseite der Schweißzone unmittelbar beim Schmelzen, wo es einen Metallring bildet, der stärker ist
als die antimonarme Mitte. Dieser Ring weist nicht nur ein stärkeres Material auf, sondern nimmt auch einen
wesentlichen Teil der Querschnittsfläche der Schweißstelle und, was noch wichtiger ist, des Bereiches ein,
welcher der größten Beanspruchung, im Gebrauch ausgesetzt ist Darüber hinaus weist die antimonarme
Mitte einen höheren Schmelzpunkt als der antimonreiche äußere Ring auf. und- somit eine gerichtete
Erstarrung von der Mitte der Schweißstelle radial nach außen — was genau die Umkehrung d^s Ergebnisses ist,
wenn keine Umverteilung von Antimon stattfindet Diese Richtungserstarrung trägt in bedeutender Weise
zu dem leerraumfreien Aufbau des Zwischenzellen-Verbindeteiles bei, welches durch dieses Verfahren erzeugt
wird, während keine Schrumpfungsrisse oder Leerstellen in der Mitte der Schweißstell«.. eingeschlossen
werden, um sie zu schwächen oder um einen Platz zu schaffen für ein zukünftiges Versagei. infolge von
Korrosion. Ein weiterer Vorteil ist, daß nur das antimonreiche Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt die Öffnungswand berührt mit der Folge eines
geringeren Hitzeverzugs der Wand während des Schweißens.. Dies, ist ein besonderer-Vorteil in den
Situationen, in welchen eine ernste Fehlausrichtung der Elektroden bezüglich der öffnung gegeben ist, da das
plastische Material nur eine geringe Neigung zeigt, in die Öffnung zu spritzen. Schließlich hat der antimonreiche Ring mit dem niedrigeren Schmelzpunkt eine
geringe Tendenz, Metall von der Fahne an den-Rändern
der Öffnung zu lösen mit der Folge, daß die Tendenz
sehr gering ist, daß ein Bleiplätschern oder," eine
Bleiexpulsion bzw. -Vertreibung längs der Trennwand-Fahnen-Zwischenfläche eintritt. ■■>,.''.
Die Art, wie die Kraft auf die Elektroden und folglich auf die Fahnen ausgeübt wird, ist eine wesentliche
Variable bei diesem Verfahren.
Die Kraft sollte sofort und konstant ausgeübt werden, um der Bleimobilität zu folgen, während die Fahne ihre
verschiedenen physikalischen Zustandsänderungen durchläuft, d. h. das Erweichen, das erste und das zweite
Schmelzstadium. Ohne sie wird die antimonreiche Legierung nicht schnell zur Trennwand bewegt, bevor
das antimonarme Material schmilzt. Diese erforderliche, unmittelbare Verfügbarkeit einer Kraft wird nicht durch
einen konventionellen pneumatischen oder hydraulischen Zylinder allein geschaffen, da eine Momentanverzögerung zwischen Elektrodenbewegung als Folge des
Nachgebens der Fahne und des Wiederaufbaus des Drucks in dem Zylinder vorhanden ist. Wenn diese
physikalischen Änderungen gerade eintreten, hat bei den wenigen Zyklen (60 Zyklen pro Sekunde) gerade ein
momentaner Verlust einer wesentlichen Elektrodenkraft Schweißstellen geringer Qualität zur Folge. Man
fand heraus, daß der Einbau von Federn wie beispielsweise Tellerfedern (oder Urethan-Polster)
zwischen dem hydraulischen Zylinder und den Schweißelektroden den erforderlichen schnellansprechenden
Elektrodendurchlauf schaffen. Diese Federn werden nachfolgend als Kraft-Durchlauf-Federn bezeichnet
Die Verwendung von Tellerfedern wird bevorzugt, da
ίο diese eine flachere Feder-Raten-Kurve über die hier
umfassenden Strecken aufweisen. Die präzise Größe bzw. Menge der für jede Ausübung erforderlichen Kraft
verändert sich mit der Zusanunensetzung und dem Alter des Bleis, der Größe der öffnung, der Größe der
Extrudier-Elektrode und der Größe bzw. Menge des Stromes und des Hochziehens, welches gerade angewendet wird. Allgemein läßt sich dennoch sagen, daß
eine zu kleine Kraft Porosität oder leere Räume verursachen kann, durch welche der Elektrolyt von
einer Zelle zur nächsten gelangen kann und daß eine zu große Kraft die Teile und die Werkzeuge zerstören
kann. Um Leiter herzustellen, welche dieses System verwenden, ist das System zu der Zeit, in der das
Anfangs-Kaltextrudieren durchgeführt ist, »verschlos
sen« und die gesamte nachfolgende Kraft, welche auf
die Klemmen und die Elektroden ausgeübt wird, stammt von den Kraftübertragungsfedern, welche während des
Verschließens zusammengedrückt werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform gemäß Zeichnung sind
die Klemmglieder Urethan-Polster, welche die Elektroden umschließen, die sich während des Verschließens
und des anschließenden Durchlaufs der Elektroden zusammendrücken und eine Gegenkraft gegen die
Kraftübertragungsfedern ausüben, welche zunimmt,
während sich die Kraftübertragungsfedern ausdehnen.
Der Endeffekt ist, daß die Klemmkraft zunimmt und die Elektrodenkraft abnimmt, während die Elektroden sich
aufeinander zu bewegen und rasch den physikalischen Änderungen in den' Extrudierteilen folgen. Dies
gestattet eine höhere Klemmkraft auf die Fahnen und eine verringerte hydraulische Kraft auf das geschmolzene Metall, welches dann wieder die Wahrscheinlichkeit
eines Plätscherns oder Ausblasens herabsetzt.
Während des Schweißens stammt die Kraft auf die
Teile aus zwei Quellen, den Kraftübertragungsfedern
und der Kraft, welche durch die Klemmeinrichtung ausgeübt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
einer Werkzeugeinrichtung zur Durchführung der Erfindung ist die Klemmeinrichtung mit den Elektro
denhahern befestigt und besteht selbst aus federvorge
spannten Gliedern, welche die Schweißelektrode umschließen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Werkzeugeinrichtung ist die Klemmeinrichtung ein Block oder Polster aus zusammendrück-
barem Polyurethan hoher Dichte. Die Klemmkräfte müssen lediglich ausreichend sein, ein Bleiplätschern
oder eine Expulsion bei einem gegebenen Strom zu verhindern. Im allgemeinen nimmt die benötigte Kraft
zu, während der Schweißstrom ansteigt. In dem
bevorzugten System, welches Kraftübertragungsfedern
und zusammendrückbare, die Elektrode umschließende Klemmfedern aufweist, muß die Stärke der Kraftübertragungsfedern die der Klemmfedern genügend überschreiten, um die Gegenkraft zu überwinden, welche
durch die Klemmfedern ausgeübt wird. Bei dieser Verbindung zeigt die Praxis, daß die Kraftübertragungsfedern in der Lage sein sollten, mindestens die vierfache
Kruft der Klemmfedern und bevorzugterweise minde-
stens die sechsfache Kraft auszuüben, gemessen bei der
Schweißpistole in einem geschlossenen oder verschlossenen Zustand Man hat beobachtet, daß hohe
Durchlaufkräfte eine Porösität (d h. leckende Leerstellen) unterstützen und mehr elektrische Energie bei
vergleichbaren Schweißstellen benötigen und daß niedrigere Durchlaufkräfte eine geringere Klemmkraft
und wenige Energie bei vergleichbaren Schweißstellen erfordern.
Bei dem am meisten bevorzugten System mit einem
Bei dem am meisten bevorzugten System mit einem
Urethan-Polster als Klemmeinrichtung hat man beobachtet,
daß das Verhältnis zwischen der Größe der Elektrode und der Größe der Öffnung wichtig ist,
hauptsächlich namentlich einer Minimierung eines Gehäuseverzugs oder Distorsion. Diese Beziehung
beeinträchtigt ebenfalls die Qualität der Schweißstelle, und beträgt das Verhältnis des Elektrodendup"hmessers
zu dem Lochdurchmesser weniger als ca. 0,62 oder mehr als 0,78, ist der Wandverzug unannehmbar oder es
treten schwache Schweißstellen ein.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen von flüssigkeitsdichten Verbindungen zwischen Plattengruppen in
benachbarten Zellen einer elektrischen Blei-Säure-Speicherbatterie durch eine Öffnung in einer die
Zellen voneinander trennenden, nichtleitenden Wand, bei welchem die Plattenfahnen aus einer
Blei-Antimon-Legierung durch eine Klemmeinrichtung von beiden Seiten gegen die Zellzwischenwand
gedrückt, das Fahnenmetall durch zwei aufeinander zu bewegbare Schweißelektroden in die Öffnung
extrudiert nach Bildung eines entsprechenden Kontakts zwischen den in die Öffnung extrudierten
Fahnenabschnitten Schweißstrom unter Beibehaltung der Klemmkraft und des Extrusionsdrucks zum
Schweißen des Fahnenmetalls durch das extrudierte Metall geleitet wird und die Verfestigung der
Schweißverbindung beim Abkühlen unter Beibehaltung der Xlemmkraft und des Extrusionsdruckes
erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ais Metall für die Fahnen eine untereutektische
Blei-Antimon-Legierung mit mindestens 2% Antimon und einem größeren Anteil einer antimonarmen
Phase sowie einem geringeren Anteil einer antimonreichen Phase verwendet wird, daß mit dem
Aufbringen des Extrudierdruckes das Fahnenmetall durch die Elektroden in die öffnung bis zu einem
anfänglichen Kontaktbereich von 15% bis 75% des Öffnungsquerschnittes extrudiert und hinter den
Elektroden eine rasch aufbrauchbare potentielle Energie gespeichert wird, um unmittelbar auf eine
Verringerung des Strömungswiderstandes der Extrudierabschnitte des Fahr-enmetalls einen schnellen
Materialfluß des extrudierten Fahnenmetalls zu bewirken, daß ein alimählich ansteigender Strom
durch die Elektroden geleitet wird, derart, daß das extrudierte Fahnenmetail stufenweise physikalisch
umgewandelt wird, indem zuerst das extrudierte Fahnenmetail vor dem Verschmelzen erweicht, dann
die antimonreiche Phase und schließlich die antimonarme Phase der Legierung im Kontaktbereich
geschmolzen wird, wobei während der Umwandlungen die gespeicherte potentielle Energie unter
kontinuierlicher Aufbringung eines ausreichenden Elektrodendrucks auf das extrudierte Fahnenmetall
aufgebraucht wird, um die geschmolzene antimonreiche Phase aus dem zentralen Kontaktbereich
nach außen gegen die Öffnungswandung vor einem wesentlichen Schmelzen der antimonarmen Phase
unter Bildung eines das antimonarme Zentrum der Verbindung umgebenden antimonreichen Ringes zu
verdrängen, und daß die Verfestigung unter radialer Erstarrung vom Zentrum der Verbindung nach
außen hin durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahnen aus einer Bleilegierung
gegossen werden, welche aus 2 bis 4,5Gew.-% Antimon, mindestens 0,03 und weniger als
0,3 Gew.-% Zinn und weniger als O1OOi Gew.-°/o
Schwefel besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkraft auf die Fahnen
erhöht und der Druck auf die Fahnen-Extrudierteile vermindert werden, während der elektrische Strom
durch die Fahnen-Extrudierteile fließt und die Fahnen-Extrudierteile das Erweichungs-, das antimonreiche
Bleischmelz- und das antimonarme Bleischmelz-Stadium durchlaufen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Wirksamkeit der Schweißstellen
durch probeweise Verdrehung der Zwischen-Zellenverbindung in der Ebene der Wand bis die
Verbindung bricht überwacht wird, daß die antimonreichen und antimonarmen Bruchbereiche mit
akzeptablen Parametern verglichen we, den, und daß die Betriebszustände erforderlichenfalls eingestellt
werden, um geschweißte Verbindungen der geforderten Qualität zu erhalten.
5. Vorrichtung zur Herstellung von flüssigkeitsdichten Verbindungen zwischen Plattengruppen in
benachbarten Zellen einer elektrischen Blei-Säure-Speicherbatterie
durch eine Öffnung in einer die Zellen trennenden, nicht-leitenden Wand, mit einer
Schweißpistole, die ein Paar einander gegenüberliegend angeordnete, relativ zueinander bewegbare
und im wesentlichen zylindrische Elektroden aufweist welche an eine elektrische Stromquelle
anschließbar und durch eine auf die Fahnen einwirkende Klemmeinrichtung umgeben sind, zur
Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Durchmesserverhältnis der auf das Fahnenmetall einwirkenden E!ektrodenstirnflächen mit der öffnung
(40), etwa 0,62 bis 0,78 beträgt daß die Klemmeinrichtung (32) zusammendrückbar und
dabei eine Klemmkraft auf die Fahnen (33)
jo aufbringend ausgebildet ist, und daß hinter den
Elektroden (6) eine Einrichtung (26) zum Speichern von rasch verwendbarer potentieller Energie angeordnet
ist welche auf die Elektroden einwirkt und die gespeicherte Energie an die Elektroden während
r< der Stromdurchleitung freigibt
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die zusammendrückbare Fahnen-Klemmeinrichtung
ein Polster (32) aus einem Polyurethan-Material hoher Dichte aufweist, welches
jede der Elektroden (6) umschließt, wobei die Polster in einen Eingriff mit den Fahnen (33)
bringbar sind, um diese gegen die Wand während des Extrudierens und Schmelzens zu klemmen.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Elektrodenhalter
(8) Gleitteile (12) aufweisen, und eine geradlinige Bewegung der Halter zueinander und
voneinander weg zu bewirken.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennji) zeichnet daß ein Paar von Hebelarmen (16) an deren
einen Enden in einen Eingriff mit den Gleitteilen (12) bringbar sind, um diese zueinander und voneinander
weg bewegen zu können, und an deren anderen Enden an eine Energiequelle (24) anschließbar sind,
3') daß die Hebel auf einem steifen Stützrahmen (21)
zwischen den Enden der Hebel schwenkbar befestigt (18) sind, daß die Hebel (16) ein Kniegelenk (20, 22,
23) zwischen ihren anderen Enden aufweisen und dieses mit diesen verbunden ist, und daß jeder Arm
w) (20) des Kniegelenkes eine Feder (26) aufweist,
welche bei einer Kraftausübung auf die Hebelarme durch das Kniegelenk zusammengedrückt werden
kann, so daß rasch zu Verfügung stehende potentielle Energie hinter den Elektroden zwecks
""> Freigabe zu den Elektroden während des dort hindurchfließenden Schweißstromes gespeichert
wird.
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1974
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