DE3806309C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbindungsschweißen, ins
besondere Widerstandsschweißen, von Kleinbauteilen nach der Gattung
des Hauptanspruchs. Durch die DE-AS 17 52 679 ist ein solches Ver
fahren bekannt geworden, bei dem den Klein- bzw. Kleinstbauteilen
eine Vielzahl von elektrischen Leitern oder eine Scheibe aus sprö
dem Material zugeordnet sind. Die Unterlage und die Leiter werden
zusammengebracht, mittels eines Übertragungsglieds zusammengepreßt
und im Zusammenwirken mit dem übertragenen Druck mittels Thermo
kompression oder Ultraschall zusammengeschweißt. Die Druckübertra
gung erfolgt mittels eines verformbaren, vom Übertragungsglied be
aufschlagten, unmittelbar und gleichzeitig auf sämtliche Leiter bzw.
die gesamte zugeordnete Fläche der Scheibe einwirkenden Übertra
gungsstoffes. Damit soll ein Verbindungsverfahren geschaffen werden,
welches das Verhältnis der erzielten guten Verbindungen bei tole
ranzbehafteter Dicke der Bauteile erhöht, und das auch benutzt wer
den kann, um gleichzeitig mehrere Verbindungen herzustellen. Die
Leiter unterliegen beim Anbringen auf der Unterlage einer Verfor
mung, deren Größe von den verwendeten Materialien, der zugeführten,
mechanischen Energie, der geometrischen Form der Stücke und der
Wärmezufuhr anhängt. In der Anfangsphase des Schweißvorgangs ist der
Druck an der Grenzfläche Übertragungsstoff - Leiter wegen der viel
kleineren Kontaktfläche um ein Vielfaches höher als der Druck an der
Grenzfläche Übertragungsglied - Übertragungsstoff. Wenn sich der
Übertragungsstoff um die Leiter herum verformt hat und die Unterlage
berührt, vergrößert sich die Kontaktfläche bei abnehmendem Druck, bis
sie der Größe der Grenzfläche Übertragungsglied - Übertragungsstoff
entspricht, d.h. der Druck fällt ab und die Verformung hört auf. Bei
Anwendung des Verfahrens zum Verschweißen von Scheiben, die aus ei
nem harten, nicht verformbaren Material, beispielsweise aus metal
lisertem Silicium besteht, tritt zwischen den beiden Grenzflächen
Übertragungsstoff - Scheibe und Scheibe - Ünterlage keine Druckdif
ferenz auf, da die Grenzflächen gleiche Größe haben.
Durch die DE-PS 20 49 277 ist ferner eine Einrichtung zum Fest
schweißen von kugelförmigen Kontaktmetallrohlingen an Kontaktteilen
mittels elektrischer Widerstandsschweißung bekannt, bei welcher eine
Elektrode an ihrem Kopfende mit einer kalottenförmigen Ausnehmung
versehen ist, welche zur Aufnahme des kugelförmigen Kontaktmetall
rohlings dient. Druck und Wärme werden bei dieser Einrichtung von
der Elektrode direkt auf die anzuschweißende Kugel übertragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich die drucküber
tragende Berührungs- oder Grenzfläche zwischen dem als Formkörper
wirkenden Bauteil und dem Übertragungsstoff durch Verformung des
letzteren drastisch erhöht, während die Grenzfläche zwischen den
Bauteilen, an welcher die Verschweißung stattfindet, vergleichsweise
klein ist und auch unter Druck und Wärmeeinwirkung vorzugsweise
deutlich kleiner bleibt als die druckübertragende Berührungsfläche
zwischen dem verformten Übertragungsstoff und dem als Formkörper
wirkenden Bauteil. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise aus
mehreren Einzelteilen bestehende Bauelemente, beispielsweise Kugel
ventilkörper, herzustellen, ohne daß beim Schweißvorgang die ur
sprüngliche Form und Materialstruktur des als Formkörper wirkenden,
freiliegenden Teils der Kugel verändert wird. Der zum Schweißen er
forderliche Druck wird durch den verformten Übertragungsstoff groß
flächig und ohne partielle Druckstellen auf den Formkörper übertra
gen, so daß die Druckbelastung des Körpers pro Flächeneinheit rela
tiv klein bleibt. Gleichzeitig konzentriert sich der Druck auf die
vergleichsweise kleine Grenzfläche zwischen den Bauteilen und sorgt
dafür, daß die beiden Teile in diesem Bereich sehr fest aneinander
gepreßt werden. Bei dem bevorzugt angesprochenen Widerstandsschwei
ßen erfolgt über den verformten Übertragungsstoff eine großflächige
Stromübertragung mit kleinem Übergangswiderstand bei vergleichsweise
geringer und gleichmäßiger Erwärmung des vom Übertragungsstoff be
deckten, freiliegenden Teils der Kugel. Im Bereich der Schweißstelle
wird der Strom hingegen auf eine kleine Fläche mit großem Übergangs
widerstand konzentriert, so daß sich die Materialien an dieser Stel
le rasch erhitzen und in die zum Verschweißen erforderliche pla
stische bzw. schmelzflüssige Phase übergehen. Der im Bereich der
Schweißzone herrschende hohe Flächendruck trägt zur Beschleunigung
dieses Vorgangs bei.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich. Bevorzugt wird als Übertragungsstoff
ein Werkstoff insbesondere ein metallischer blanker Werkstoff, ver
wendet, welcher sich unter Druckeinwirkung plastisch verformt. Be
sonders bewährt hat sich hierfür eine Kupferfolie, weil diese leicht
verformbar und thermisch hoch belastbar ist. Um eine Verformung der
Folie unter Druckeinwirkung zu ermöglichen, kann das Übertragungs
glied einen Hohlraum aufweisen, in den die Folie durch den als Form
teil wirkenden Bauteil hineingepreßt wird. Dieser Hohlraum kann nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung an die Außenkontur des Formkör
pers angepaßt sein. Eine weitere Möglichkeit, welche die Verwendung
von Übertragungsgliedern mit planer Kontaktfläche gestattet, besteht
darin, daß die Folie mit einer Schicht aus einem dicken, weichen Ma
terial, beispielsweise einer Pb- oder PbSn-Schicht belegt ist, in
welcher sich die Außenkontur des als Formkörper wirkenden Bauteils
unter Druckeinwirkung abbildet.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe wei
terer Vorteile näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Aus
führungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbei
tenden Widerstandsschweißvorrichtung zum Herstellen eines aus zwei
Teilen bestehenden Kugelventilkörpers in vereinfachter, teilweise
geschnittener Seitenansicht,
Fig. 2 eine Vorrichtung mit gegenüber
Fig. 1 abgewandelter Formelektrode,
Fig. 3 eine Anordnung mit
planer Formelektrode und einem aus zwei Komponenten bestehenden,
verformbaren Übertragungswerkstoff,
Fig. 4 eine Vorrichtung, ähn
lich derjenigen nach Fig. 1, bei welcher der scheibenförmige Kugel
halter des Kugelventilkörpers mit einer Isolierstoffolie belegt ist.
Die in den Figuren schematisch dargestellte Widerstandsschweißvor
richtung hat eine untere, feste Elektrode 1 und eine dieser mit Ab
stand gegenüberliegend angeordnete obere Elektrode 2, die in Rich
tung des in Fig. 1 eingezeichneten Doppelpfeils 3 heb- und senkbar
ist. Die planen Stirnflächen 4 bzw. 5 der beiden Elektroden 1 bzw. 2
stehen parallel zueinander. Die Elektroden sind an einen Schweiß
stromkreis angeschlossen und dienen zum Verbindungsschweißen von
Kleinbauteilen, die im Ausführungsbeispiel aus einer gehärteten
Stahlkugel 6 und einem Kugelhalter 7 (Fig. 1 bis 3) bzw. 8 (Fig.
4) bestehen. Die beiden Teile bilden im zusammengeschweißten Zustand
einen Ventilkörper für Kugelventile. Der Kugelhalter 7 ist als mas
siver Zylinderbolzen ausgebildet, der in eine Bohrung 9 der unteren
Elektrode 1 einsetzbar ist und sich mit einem Bund 10 an der Stirn
fläche 4 dieser Elektrode abstützt. Der Kugelhalter 8 nach Fig. 4
ist als flache Scheibe ausgebildet, für die in der unteren Elektrode
1 eine Aufnahme in Form einer Vertiefung 11 vorgesehen ist. Der Ku
gelhalter 7 ist an seiner Stirnfläche mit einer Sacklochbohrung 12
versehen, welche die Kugel 6 aufnimmt und zentriert. Der Kugelhalter
8 hat für den gleichen Zweck eine durchgehende Bohrung 13. In beiden
Fällen ist der Durchmesser der Bohrungen erheblich kleiner als der
Kugeldurchmesser, so daß die Kugel nur zu einem kleinen Teil in die
Bohrung eintauchen kann. Der größere Teil der Kugel liegt frei zu
gänglich über dem Kugelhalter 7 bzw. 8. Die Berührung zwischen Kugel
und Bohrung erfolgt entlang einer Kreislinie oder Kreisfläche 14 mit
geringer Breite. An dieser Fläche werden die beiden Teile 6, 7 bzw.
6, 8 miteinander verschweißt.
Der zum Schweißen erforderliche Druck und die Wärme werden den Tei
len 6, 7 bzw. 6, 8 über die Elektroden 1, 2 durch Absenken der obe
ren Elektrode 2 und Einschalten des Schweißstromes zugeführt. Um da
bei eine Deformierung und/oder eine Veränderung der Materialstruktur
des freiliegenden Teils der Kugel 6 zu verhindern, wird die obere
Elektrode 2 nicht unmittelbar an den freiliegenden Teil der Kugel 6
angelegt. Vielmehr ist zwischen Kugel 6 und Elektrode 2 ein verform
barer Übertragungsstoff vorhanden, welcher den von der Elektrode 2
ausgeübten Druck und den Schweißstrom im Bereich des freiliegenden
Teils der Kugel auf etwa die Hälfte der gesamten Kugelfläche ver
teilt. Es wird vorzugsweise ein Werkstoff mit geringem spezifischen,
elektrischen Widerstand verwendet, welcher sich unter Druckeinwir
kung plastisch verformt.
Anstelle von plastisch verformbaren Werkstoffen könnten auch gummi
elastische Werkstoffe aus elektrisch leitendem Material verwendet
werden, die nach Druckentlastung ihre ursprüngliche Form wieder an
nehmen. Wesentlich ist, daß die druckübertragende Berührungs- oder
Kontaktfläche 15 zwischen dem verformten Übertragungsstoff und dem
als Formkörper wirkenden freiliegenden Teil der Kugel 6 deutlich
größer ist als die Fläche 14, an denen die Bauteile miteinander ver
schweißt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß der von der Elektro
de 1 ausgehende Druck über eine große Fläche der Kugel auf die
kleinflächige Schweißzone 14 übertragen und dort konzentriert wird.
Der verformbare Übertragungsstoff paßt sich der Kugeloberfläche an
und verhindert partielle Deformierungen der freiliegenden Kugel
fläche. Außerdem sorgt die großflächige Ummantelung der freien Ku
gelfläche für einen geringen Übergangswiderstand zwischen Übertra
gungsstoff und Kugel, so daß der freiliegende Teil der Kugel keinen
unzulässig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Dagegen
konzentriert sich der Schweißstrom im Bereich der Schweißzone 14 auf
eine sehr kleine Fläche, wodurch eine schnelle Erwärmung dieser Zone
auf Schweißtemperatur gewährleistet ist. Als plastisch verformbarer
Werkstoff wird vorzugsweise ein dünnes, folienartiges Metallband 16
aus leicht verformbarem, elektrisch gut leitendem und eine hohe
Schmelztemperatur aufweisenden Material verwendet. Diese Forderungen
erfüllt beispielsweise ein Kupferband, das bei relativ hoher
Schmelztemperatur eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine große
Duktilität aufweist.
Um die gewünschte Verformung des Metallbandes 16 zu ermöglichen, ist
bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 4 die Stirn
fläche 5 der oberen Elektrode 2 mit einer nach unten hin offenen,
halbkugelförmig ausgebildeten Kalotte 17 versehen, deren Größe so
gewählt ist, daß sie die obere Kugelhälfte und das diese umgebende
Metallband 16 aufzunehmen vermag. Der Druck der oberen Elektrode 2
verformt das Metallband entsprechend der Kugelfläche, wobei die Ku
gel 6 als Formkörper wirkt. Kleine Abweichungen der Kalottenform von
der Kugelform werden durch das Metallband ausgeglichen. Nach erfolg
ter Verformung des Bandes 6 wird der Schweißstrom für eine vorgege
bene Zeitspanne eingeschaltet und nach erfolgter Schweißung bei an
gehobener Elektrode 2 das Metallband 6 um mindestens den Durchmesser
der oberen Elektrode 2 weitergeschaltet. Hierzu kann beispielsweise
ein nicht dargestelltes, an sich bekanntes Schrittschaltwerk verwen
det werden. Die Transportrichtung des Metallbandes 16 ist in Fig. 1
durch einen Pfeil kenntlich gemacht.
In Fig. 2 wird zur Verformung des Metallbandes 16 anstelle des ku
gelkalottenförmigen Hohlraums 17 eine in der Stirnfläche 5 der obe
ren Elektrode 2 ausgebildete Sacklochbohrung 18 benutzt, deren
Durchmesser dem Durchmesser der Kugel 6 plus der doppelten Dicke des
Metallbandes 16 plus ca. 0,2 mm Spiel in der Elektrode entspricht.
Beim Schweißvorgang wird das Metallband 16 von der kreislinienförmi
gen Bohrungskante erfaßt und um die Kugel so weit herumgezogen, daß
es die obere Kugelhälfte bedeckt. Der von der Elektrode 2 ausgehende
Druck wird über das Metallband 16 und die Kugel auf die die Schweiß
zone bildende Kontaktfläche 14 zwischen Kugel und Kugelhalter über
tragen und dort auf eine kleine Fläche konzentriert. Der Kugelhalter
stützt sich während des Schweißvorgangs mit seinem Bund 10 an der
Oberfläche 4 der unteren, festen Elektrode 1 ab.
Der Abstand zwischen dem verformten Metallband 16 und der Stirn
fläche des Kugelhalters 7 bzw. 8 richtet sich nach dem Kugeldurch
messer sowie nach dem Durchmesser der im Kugelhalter ausgebildeten
Bohrung 12 bzw. 13. Beim Schweißen von Kugeln mit sehr kleinem Au
ßendurchmesser oder von Ventilkörpern der in Fig. 4 gezeigten Art,
bei denen der Kugeldurchmesser um ein Vielfaches kleiner ist als der
Durchmesser des Kugelhalters 8 ist es ratsam, zur Vermeidung von
Schweißstromnebenschlüssen, die Oberfläche des Kugelhalters mit ei
ner Isolierstoffolie zu belegen, welche im Bereich der Bohrung des
Kugelhalters eine Aussparung hat. Eine solche, mit einer Aussparung
19 versehene Folie 20 ist in Fig. 4 gezeigt.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen müssen die
beiden Elektroden genau aufeinander ausgerichtet sein, damit die
Zentrierung der Kugel 6 in der Bohrung 12 bzw. 13 des Kugelhalters
beim Schweißvorgang erhalten bleibt. Eine solche hochgenaue Ausrich
tung der beiden Elektroden ist bei der Anordnung nach Fig. 3 nicht
notwendig, weil dort die Plan- bzw. Stirnfläche 5 der oberen Elek
trode 2 keinen die Lage der Kugel 6 bezüglich der Bohrung 12 bzw. 13
des Kugelhalters beeinflussenden Hohlraum aufzuweisen braucht. Dies
ist dadurch erreicht, daß das folienartige Metallband 16 mit einer
dicken, weichen Metallschicht 21 belegt ist, in welcher sich die
obere Hälfte der Kugel 6 unter Druckeinwirkung abbildet. Als solche
Metallschicht kann beispielsweise eine Pb- oder PbSn-Schicht verwen
det werden. Durch die vergleichsweise große Stirnfläche der Elek
trode 2 wird ein Einsinken der weichen Metallschicht 21 in die Elek
trode bei der Verformung weitgehend vermieden. Die Dicke der ver
formbaren Werkstoffkombination 16, 21 ist, wie aus Fig. 3 ersicht
lich, etwas größer gewählt als der Kugelradius. Beim Schweißvorgang
wird das Band nach Druckbeaufschlagung durch die Elektrode 2 durch
die Kugel 6 in die weiche Metallschicht hineingedrückt, wobei ein
genaues Abbild der oberen Kugelhälfte entsteht. Bei Kugeln, deren
Durchmesser unter 2,0 mm liegt, kann die Dicke der Metallschicht 21
auch kleiner als der Kugelradius sein.
Das vorgeschlagene Verfahren gewährleistet, daß beim Verschweißen
hochgenauer Teile, z.B. gehärteter Kugeln, die als Dichtelemente
wirken, keine Deformation oder Entfestigung außerhalb der Schweiß
verbindung erfolgt. Dies wird unter Verwendung eines verformbaren
Übertragungsstoffes zwischen dem beweglichen Übertragungsglied 2 und
der Kugel dadurch erreicht, daß die Kontaktierfläche der Kugel zum
beweglichen Übertragungsglied hin gegenüber der Schweißzone mög
lichst groß gehalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbindungsschweißen von Klein
bauteilen ist nicht auf das anhand von Ausführungsbeispielen be
schriebene Widerstandsschweißen von Kugelventilkörpern beschränkt.
Vielmehr können damit auch andere Bauteile, insbesondere Präzisions
bauteile auch aus gehärteten Materialien miteinander verschweißt
werden, bei denen die als Schweißzone dienende Berührungsfläche
zwischen den Bauteilen durch gezielte Maßnahmen vorzugsweise deut
lich kleiner gemacht wird als die von dem verformten Übertragungs
stoff ummantelte, druckübertragende Kontaktfläche. Neben der bevor
zugt angesprochenen Widerstandserwärmung können zur gezielten Erhit
zung der Schweißzone auch andere Wärmequellen, beispielsweise er
hitzte Stempel oder eine auf die Schweißstelle gerichtete Gasflamme
verwendet werden.
Wie vorstehend bereits angedeutet, wird der Schweißstrom erst nach
weitgehend abgeschlossener Verformung des Übertragungsstoffes 16
bzw. 16, 21 eingeschaltet. Hierzu kann im Stromkreis der in Fig. 1
angedeuteten Schweißstromquelle 22 ein Schalter 23 angeordnet sein,
welcher mit der beweglichen Elektrode 2 gekoppelt ist und durch
diese bei Erreichen ihrer unteren Endlage geschlossen wird. Hier
durch ist sichergestellt, daß der Schweißstrom vom Band 16 auf die
gesamte freiliegende Fläche der Halbkugel verteilt wird. Große
Fläche bedeutet kleine Stromkonzentration und damit geringe Erwär
mung. Überhitzungen von Teilflächen der Halbkugel, die zu partiellen
Enthärtungen führen könnten, sind dadurch zuverlässig ausgeschlos
sen. Diese Maßnahme hat nicht nur Bedeutung für Schweißprodukte, bei
denen die druckübertragende Kontaktfläche zwischen dem verformten
Übertragungsstoff und dem Formkörper größer ist als die Schweißzone,
sondern kann darüber hinaus auch zum Verschweißen von Bauteilen ver
wendet werden, bei denen diese Bedingung nicht erfüllt ist.
Claims (9)
1. Verfahren zum Verbindungsschweißen, insbesondere Widerstands
schweißen, von Kleinbauteilen, bei dem die miteinander zu verbinden
den Teile mittels eines Übertragungsgliedes zusammengepreßt und im
Zusammenwirken mit dem übertragenen Druck durch Erwärmung zusammen
geschweißt werden, wobei die Druck- und Wärmeübertragung mittels ei
nes verformbaren, vom Übertragungsglied beaufschlagten Übertragungs
stoffes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die druckübertragende
Berührungsfläche (15) zwischen dem verformten Übertragungsstoff (16
bzw. 16, 21) und dem als Formkörper wirkenden Bauteil (6) größer ist
als diejenige Fläche (14), an der die Bauteile (6, 7 bzw. 6, 8) mit
einander verschweißt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Über
tragungsstoff (16 bzw. 16, 21) ein unter Druckeinwirkung plastisch
verformbarer Werkstoff verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ver
formbarer Werkstoff eine Folie (16) aus leicht verformbarem und eine
hohe Schmelztemperatur aufweisenden Material, vorzugsweise aus
Kupfer oder einer Kupferlegierung, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie
(16) bei ihrer Verformung unter Druckeinwirkung in einem im Übertra
gungsglied (2) ausgebildeten Hohlraum (17 bzw. 18) eintritt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form
des Hohlraums (17) an die Außenkontur des als Formkörper wirkenden
Bauteils (6) angepaßt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie
(16) mit einer dicken, weichen Materialschicht (21), beispielsweise
einer Pb- oder PbSn-Schicht, hinterlegt ist, in welcher sich die
Außenkontur des als Formkörper wirkenden Bauteils (6) unter Druck
einwirkung abbildet.
7. Ein nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche
hergestellter Ventilkörper, insbesondere Kugelventilkörper aus elek
trisch leitenden Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf
einer Elektrode (1) aufliegender bzw. in diese eingesetzter Kugel
halter (7 bzw. 8) mit einer zur Aufnahme der als Formteil wirkenden
Kugel (6) dienenden Bohrung (12 bzw. 13) versehen ist, deren Durch
messer kleiner ist als der Kugeldurchmesser.
8. Ventilkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche des Kugelhalters (8) mit einer Isolierstoffolie (20) be
legt ist, welche im Bereich der Bohrung (13) eine Aussparung (19)
hat.
9. Verfahren zum Widerstandsschweißen von Kleinbauteilen, bei dem
die miteinander zu verbindenden Teile mittels einer die Elektroden
beaufschlagenden Kraft zusammengepreßt und im Zusammenwirken mit dem
übertragenen Druck zusammengeschweißt werden, wobei die Druck- und
Wärmeübertragung mittels eines durch den Elektrodendruck verformba
ren Übertragungsstoffes erfolgt, insbesondere nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom
erst nach weitgehend abgeschlossener Verformung des Übertragungs
stoffes (16 bzw. 16, 21) eingeschaltet wird.
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1989
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