DE3844001A1 - Elektroden zum verwenden beim punktschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Elektroden, die zur Aus­ führung des Punktschweißens metallischer Materialien verwendet werden, welche ein hohes elektrisches Leitver­ mögen und ein hohes Wärmeleitvermögen haben, und insbe­ sondere befaßt sich die Erfindung mit einer Elektroden­ konstruktion, die insbesondere beim Schweißen mit ge­ ringem Strom zweckmäßig ist.

Das Punktschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem zwei Metallbleche übereinander gelegt werden, dann ein elektrischer Strom durch diese Metallbleche bei gleich­ zeitigem Zusammendrücken und Pressen mit Hilfe eines Paars von kreisförmigen, stabförmigen Elektroden geleitet wird, und die Metallbleche durch Erwärmen und Schmelzen auf Grund der Joule′schen Wärme verbunden werden, die durch den elektrischen Strom erzeugt wird.

Beim Aus­ führen des Schweißvorganges von Metallblechen, die aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, einer Magnesium­ legierung oder dergleichen hergestellt sind, welche ein hohes elektrisches Leitvermögen und ein hohes Wärmeleit­ vermögen haben, mit Hilfe des Punktschweißverfahrens sind ein starker Strom und eine große Andrückkraft (von den Elektroden aufgebrachte Andrückkraft) erforderlich, da die erzeugte Joule′sche Wärmemenge gering ist und darüber hinaus die erzeugte Wärme über die zu verschwei­ ßenden Teile mit einem guten Wärmeleitvermögen abgeleitet wird. Ferner muß der Schweißvorgang innerhalb einer kurzen Zeitperiode abgeschlossen sein. Daher ist ein großer Transformator erforderlich, und zur Erzeugung einer großen Andrückkraft muß eine große bemessene Punkt­ schweißeinrichtung verwendet werden, wodurch sich die Bearbeitbarkeit verschlechtert. Daher war es bisher schwierig, eine Schweißmaschine dieser Art transportabel auszulegen.

Selbst wenn darüber hinaus ein großer Strom bei der Ausführung eines Mehrpunktschweißvorganges verwendet wird, hat sich eine Schwierigkeit infolge des guten elektrischen Leitvermögens der zu verschweißenden Teile ergeben, wobei ein Nebenschlußstrom erzeugt wird, der durch eine bereits fertiggestellte Schweißstelle geht und das Schweißen an der momentanen Schweißstelle nicht fehlerfrei ausgeführt werden kann.

Die Erfindung zielt darauf ab, unter Überwindung der zuvor geschilderten Schwierigkeiten Elektroden zur Verwendung beim Punktschweißen bereitzustellen, welche metallische Materialien mit einem hohen elektrischen Leitvermögen und einem hohen Wärmeleitvermögen mit einem kleinen elektrischen Strom mittels Punktschweißens verschweißen können, wobei man eine klein bemessene (transportierbare) Einphasen-Wechselstrom-Punktschweiß­ maschine verwirklichen kann.

Hierzu zeichnen sich Elektroden zur Verwendung beim Punktschweißen dadurch aus, daß eine schalenförmige Kappe, die aus einem metallischen Material besteht, das ein geringes elektrisches Leitvermögen, ein geringes Wärmeleitvermögen und eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu den schweißenden Materialien hat, auf das vordere Ende eines Elektrodenhauptkörpers gesetzt wird.

Wenn zu verschweißende Teile mittels Punktschweißens verbunden werden sollen, die ein hohes elektrisches Leitvermögen und ein hohes Wärmeleitvermögen haben, so wird das Punktschweißen mit Hilfe der vorstehend genannten Elektroden durchgeführt, wobei eine große erzeugte Wärme­ kontaktwiderstandsmenge an der Kontaktgrenzfläche zwischen der Kappe, die einen hohen elektrischen Wider­ stand hat, und den zu verschweißenden Teilen auftritt, die erzeugte Wärme effizient zu den zu verschweißenden Teilen übertragen wird, welche eine gute Wärmeübertra­ gungseigenschaft haben, wobei die erzeugte Wärme zusätz­ lich zu der Kontaktwiderstandswärme anfällt, die an der Kontaktgrenzfläche zwischen den jeweils zu verschweißen­ den Teilen erzeugt wird, wobei die Auslegung derart getroffen ist, daß hierbei die Bindung eines Klumpens (ein erschmolzener Teil) unterstützt wird. Daher läßt sich das Punktschweißen mit einem kleinen Strom im Ver­ gleich zu den übrigen Auslegungsformen durchführen, und eine hierfür geeignete Einphasen-Wechselstrom-Punkt­ schweißmaschine läßt sich transportabel auslegen.

Da zusätzlich bei dem Verfahren zur Bildung eines Klumpens durch Einleiten der Wärme von der Kontaktgrenzfläche zwischen der Kappe und dem zu verschweißenden Teil in das zu verschweißende Teil ein kreisförmiger, stabförmiger Klumpen in dem Teil gebildet wird, der durch die beiden Elektroden zusammengedrückt wird, wird der Teil des zu verschweißenden Teils, der erschmolzen oder/und sich durch Wärme ausgedehnt hat, dazu genutzt, die Elektroden zurückzufahren, wodurch insbesondere ein großer Druck auf den Mittelteil der oberen Fläche der Kappe ausgeübt wird. Die Druckkonzentrierung kann dadurch vermieden werden, daß eine Vertiefung im Mittelteil ausgebildet wird, da kaum eine "Aufnahme" (die Erscheinung der zu verschweißenden Teile, gemäß der diese an der Elektrode haften) und die "Erosion" (die Erscheinung des Materials der zu verschweißenden Teile, das an der Elektrode haf­ tet, gemäß der dieses Material in die Elektrode diffun­ diert und in diese eindringt sowie eine Legierung hier­ mit eingeht) kaum auftreten können, und sich ein ausge­ zeichnetes kontinuierliches Punktschweißvermögen zuver­ lässig ergibt. Da ferner durch die Ausbildung einer Ver­ tiefung im Mittelteil der oberen Fläche der Kappe der elektrische Strom, der zur Konzentrierung am Mittelbe­ reich neigt, zur Umgebung hin abgeleitet werden kann, läßt sich eine Temperaturerteilung auf der Oberfläche der Kappe vergleichmäßigen, und eine örtliche Erhitzung der zu verschweißenden Teile wird vermieden. Daher tritt auch in dieser Hinsicht keine "Aufnahme" und keine "Erosion" auf, so daß man in zuverlässiger Weise ein ausgezeichnetes kontinuierliches Punktschweißvermögen erhält und sich ferner ein Klumpen mit großem Durchmesser erzielen läßt.

Um den elektrischen Strom anstelle der Konzentrierung im Mittelbereich zur Umgebung hin abzuleiten, kann eine Wandstärke des Mittelteils der oberen Kappenwand im Vergleich zu dem diesen umgebenden Teil groß gewählt werden.

Wenn eine Plattierung aus einem weichen Metall, das ein besseres Wärmeleitvermögen als der Elektrodenhauptkörper hat, auf die gesamte innere Fläche der Kappe aufgebracht wird, so wird das enge Adhäsionsvermögen zwischen dem Elektrodenhauptkörper und der Kappe verbessert und hier­ durch wird die Kühlung der Kappe durch die Wasserkühlung des Elektrodenhauptkörpers effizienter. Zusätzlich wird ein Kontaktwiderstand zwischen dem Elektrodenhauptkörper und der Kappe klein, und daher läßt sich eine große elektrische Stromdichte sicherstellen. Da ferner die vorstehend genannte Plattierungsschicht die Funktion übernimmt, daß die Wärme an dem Mittelteil zur Umgebung hin abgeleitet wird, ist das Einleiten der Wärme in die zu verschweißenden Materialien wirksam über die gesamte Kontaktfläche hinweg vergleichmäßigt.

Durch Einsetzen eines Blechkörpers, der aus einem Metall hergestellt ist, das ein besseres elektrisches Leitver­ mögen als der Elektrodenhauptkörper, ein ausgezeichnetes Wärmeleitvermögen und eine geringe Härte im Vergleich zu jener der Kappe hat, wenigstens zwischen die obere Wand der Kappe und der vorderen Endfläche des Elektroden­ hauptkörpers einsetzt, erhält man einen ähnlichen Vor­ teil im Hinblick auf die Erzielung der vorstehenden Plattierung.

Wenn man ferner wenigstens die obere Fläche der Kappe einer Nitrierungsbehandlung unterzieht, läßt sich die Bildung einer "Aufnahme" und einer "Erosion" verhindern, eine Steifigkeit der oberen Wand wird verbessert, ein Widerstand gegen eine Deformation erhöht, somit eine gute Kontaktzuordnung zwischen der oberen Wand und dem zu schweißenden Teil immer aufrechterhalten, und eine Halt­ barkeit der Kappe läßt sich verbessern.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Ansichten zur Ver­ deutlichung des Punktschweißens unter Verwendung der Elektroden nach der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Teilschnittansicht zur Verdeutlichung einer Punktschweißelektrode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Teilschnittansicht zur Verdeutlichung einer Punktschweißelektrode gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung, und

Fig. 5(a) und 5(b) Diagramme zur Verdeutlichung eines Unterschieds bei der Temperaturverteilung über die Kappenoberfläche bei der Herstellung eines Schweißstrom­ flusses beim Vorhandensein und beim Fehlen einer Kupfer­ plattierungsschicht auf der inneren Fläche der Kappe, die aus Titan besteht, wobei der Fall ohne einen solchen Film mit (a) und der Fall mit einem solchen vorhandenen Film mit (b) bezeichnet ist.

Zuerst soll eine Beschreibung der Gründe erfolgen, auf Grund deren ein Punktschweißen mit geringem Strom bei der Anwendung der Elektroden nach der Erfindung ermög­ licht wird, wobei auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen wird. Diese Figuren zeigen den Zustand, bei dem die zu verschweißenden Teile 10 und 11 aus Blechteilen bestehen, die aus einem metallischen Material hergestellt sind, die ein hohes elektrisches Leitvermögen und ein hohes Wärmeleitvermögen haben, wie eine Aluminiumlegierung, übereinandergelegt werden und diese durch die oberen und unteren Elektroden 1, 1 zusammengedrückt werden. Die Elektrode 1 ist eine Elektrode, die von einer schalenförmigen Kappe 4 gebildet wird, bei der um ein spitzes Ende eines Elektrodenhauptkörpers 2, das einem üblichen Elektrodenmaterial (beispielsweise einer Cu-Cr- Legierung) besteht, ein metallisches Material eingesetzt wird, das ein geringes elektrisches Leitvermögen, ein geringes Wärmeleitvermögen und eine hohe Schmelzpunkt­ temperatur im Vergleich zu den zu verschweißenden Teilen 10 und 11 hat.

Wenn in Fig. 1 ein elektrischer Strom durch die zu verschweißenden Teile 10 und 11 unter ähnlichen Strom­ verhältnissen wie beim Schweißen von Weichstahlblechen (unter einem Zustand mit geringem Strom) durchgeleitet wird, so ist eine Selbstverständlichkeit, daß die Kontakt­ widerstandswärmeerzeugung an der Kontaktgrenzfläche A zwischen den zu schweißenden Teilen 10 und 11 auftritt, eine große Kontaktwiderstandswärmeerzeugung an den Kontaktgrenzflächen B zwischen den Kappen 4, 4, die aus Materialien mit hohem elektrischen Widerstand bestehen, und den zu schweißenden Teilen 10 und 11 auftritt, und die Kappen 4, 4 selbst ebenfalls Joule′sche Wärme er­ zeugen. Daher wird die an den Kontaktgrenzflächen B, B und in den Kappen 4, 4 erzeugte Wärme effizient zu den zu schweißenden Teilen 10 und 11 übertragen, welche gute Wärmeleiter sind, wie dies mit Pfeilen C angedeutet ist. Wenn die zu schweißenden Teile Weichstahlbleche sind, muß ein Klumpen (erschmolzener Teil) in der Nähe der Grenzfläche A durch die Kontaktwiderstandswärme­ erzeugung an der Kontaktgrenzfläche A erzeugt werden. Da jedoch bei dem dargestellten Beispiel die zu schwei­ ßenden Teile 10 und 11 aus Materialien hergestellt sind, die ein hohes elektrisches Leitvermögen und ein hohes Wärmeleitvermögen haben, wie z.B. Aluminium, wird der Klumpen nicht nur durch die Wärme erzeugt, die an der Kontaktgrenzfläche auftritt, sondern der Teil der Teile 10 und 11, der zwischen den Kappen 4, 4 zu liegen kommt, ermöglicht ebenfalls einen Temperaturanstieg durch die von den Kappen 4, 4 übertragene Wärme, welche auf eine hohe Temperatur erwärmt werden (Pfeile C). Als Folge hiervon wird der elektrische Widerstand dieses Teiles hoch und unterstützt durch die Tatsache, daß die Joule′sche Wärmemenge, die in diesem Abschnitt der zu schweißenden Teilen 10 und 11 erzeugt wird (welcher zwischen den Kappen 4, 4 liegt) erhöht, und die zu schweißenden Teile 10 und 11 werden kreis- und stabförmig erschmolzen, so daß man einen Klumpen 12 erhält, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Schmelzpunkt­ temperatur der Kappe 4 im Vergleich zu jener der zu schweißenden Teile 10 und 11 ausreichend hoch ist, kann niemals ein Erschmelzen der Kappe 4 auftreten.

In diesem Zusammenhang ist eine wesentliche Bedingung, die bei Elektroden zur Verwendung beim Punktschweißen gefordert wird, darin zu sehen, daß sie ein ausgezeichnetes, kontinuierliches Punktschweißvermögen hat. Während Kohlen­ stoffstahl, rostfreier Stahl, Titan (Ti), usw. als Mate­ rialien zur Verwendung für die Kappen 4 aufgezählt werden können, die ein geringes elektrisches Leitvermögen und ein geringes Wärmeleitvermögen im Vergleich zu den zu schweißenden Teilen 10 und 11 haben, die aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen hergestellt sind (siehe Tabelle 1) ist unter Berücksichtigung des konti­ nuierlichen Punktschweißvermögens Titan am geeignetsten. Abgesehen von den Eigenschaften eines hohen Schmelz­ punktes, eines kleinen Wärmedehnungskoeffizienten und eines geringen Wärmeleitvermögens hat Titan eine geeignete Festigkeit und Zähigkeit, und unter Verwendung von Kappen 4 aus Titan lassen sich die "Aufnahme" (die Erscheinung der zu schweißenden Teile, daß diese an den Elektroden haften) und die "Erosion" (die Erscheinung des Materials der zu schweißenden Teile, das an der Elektrode haftet, das dieses in sich verteilt und in die Elektrode ein­ dringt und eine Legierung mit derselben eingeht) ver­ hindern, und man erhält zuverlässig ein ausgezeichnetes kontinuierliches Punktschweißvermögen.

Tabelle 1

Die Form der Kappen 4 ist zur Verbesserung des konti­ nuierlichen Punktschweißvermögens von Bedeutung. Die Oberfläche der Kappe 4 hat eine solche Gestalt, daß sie soweit wie möglich an eine Kugelfläche angenähert ist, d.h. sie hat eine runde Formgebung. Der Druck an der Kontaktfläche mit den zu schweißenden Teilen 10 und 11 ist jedoch im Mittelteil der Oberfläche am gröbsten, und wenn die Kappen 4 und die zu schweißenden Teile 10 und 11 einen Temperaturanstieg erfahren und eine Wärmeausdehnung infolge eines durchgehenden elektrischen Stromes auf­ tritt, so verstärkt sich diese Tendenz. Folglich wird sich der elektrische Strom an dem Mittelteil der Ober­ fläche der Kappe 4 konzentrieren, dieser Mittelteil wird in einen erwärmten Zustand überführt, und infolge der Tatsache, daß die Wärme konzentrisch in die zu schweißenden Teile 10 und 11 über eine kleine Fläche hinweg eingeleitet wird, wird der Durchmesser des Klumpens 12 klein, und der Klumpen 12 wird ebenfalls in einen gewärmten Zustand überführt, woraus eine "Aufnahme"- Erscheinung resultiert und eventuell das kontinuierliche Punktschweißvermögen der Kappe 4 herabgesetzt wird.

Nach der Erfindung wird die vorstehend genannte Proble­ matik dadurch überwunden, daß eine Vertiefung (siehe Bezugsziffer 7 in Fig. 3) in dem Mittelteil der Ober­ fläche der Kappe 4 gebildet wird. In einer Kappe 4, die eine Vertiefung im Mittelteil der oberen Fläche hat, wird ein elektrischer Strom zur Umgebung hin abgeleitet, ihre Kontaktwiderstandswärme wird gleichmäßig an den Kontaktgrenzflächen B zwischen den Kappen 4 und den zu schweißenden Teilen 10 und 11 erzeugt, eine örtliche Erwärmung der Kappen 4 und der zu schweißenden Teilen 10 und 11 tritt niemals auf, ein Klumpen 12, der einen ausreichend großen Durchmesser hat, wird gebildet, und auf diese Weise lassen sich die Erzeugung der "Aufnahme" und der damit verbundenen "Erosion" vermeiden. Ferner ist ein Wärmedehnungskoeffizient der zu schweißenden Teile 10 und 11, die aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung und dergleichen hergestellt sind, groß, und da die hochtemperatur-erschmolzenen Abschnitte der zu schweißenden Teile 10 und 11, die hinsichtlich der Wärmedehnung sich maximal gedehnt haben und in Kontakt mit den Mittelteilen der Oberflächen der Kappen 4 kommen und der Flächendruck an diesen Abschnit­ ten übermäßig groß wird, auf Grund der Vertiefungen, die in den Mittelteilen der Oberflächen der Kappen 4 ausgebildet sind, ein Teil des einer Wärmedehnung unter­ worfenen und durch hohe Temperatur erschmolzenen Ab­ schnitts in die Vertiefung eintreten, wodurch der Anstieg des Flächendruckes umgangen wird und somit die Erzeugung einer "Aufnahme" und einer damit verbundenen "Erosion" sich verhindern lassen.

Nach der Erfindung wird also die vorstehend genannte Schwierigkeit dadurch überwunden, daß die obere Wand der Kappe 4, die aus Titan besteht, derart ausgebildet wird, daß sie im Mittelteil dick und am Umfangsteil dünn ist. Bei dieser Auslegung wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein elektrischer Widerstand proportional zu einer Größe einer Wandstärke ist. Eine Stromdichte am Mittel­ teil der oberen Wand wird abgesenkt und zugleich wird eine Stromdichte am Umfangsabschnitt erhöht. Als Folge wird der Strom, der zur Konzentration im Mittelteil der oberen Wand neigt, über die gesamte obere Wand verteilt, so daß eine gleichförmige Kontaktwiderstandswärme über die gesamte Kontaktgrenzfläche zwischen der oberen Wand und dem zu schweißenden Teil erzeugt wird, wobei die Wärme in das zu schweißende Material wirksam und gleich­ mäßig über eine große Fläche verteilt eingeleitet wird sowie unter einem Zustand, der keine örtliche Erwärmung darstellt, so daß man einen großen Klumpendurchmesser erhält, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Dank der Tatsache, daß die Stromdichte in der oberen Wand ausgehend von dem Mittelteil zu dem Umfangsteil vergleichmäßigt wird, läßt sich zusätzlich eine örtliche Erwärmung der zu schweißenden Teile verhindern. Daher läßt sich die Erscheinung, die gemäß der die zu schweißen­ den Teile, die aus einer Aluminiumlegierung, einer Mag­ nesiumlegierung und dergleichen bestehen, welche einen großen Wärmedehnungskoeffizienten im Vergleich zu dem erschmolzenen und wärmeexpandierten Stahl hat, und der hiermit verbundene erhöhte Kontaktflächendruck zwischen den zu schweißenden Teilen und den oberen Wänden der Kappen 4, der am Mittelteil der oberen Wand übermäßig groß wird, vermeiden. Auf diese Weise werden eine "Aufnahme" und eine hiermit verbundene "Erosion" unter­ drückt, und man kann ein gutes kontinuierliches Punkt­ schweißvermögen sicherstellen.

Da darüber hinaus bei der Elektrode nach der Erfindung ein kleiner elektrischer Strom durchfließen kann, die an den Kontaktgrenzflächen zwischen den Kappen 4 und den zu schweißenden Teilen 10 und 11 erzeugte Kontakt­ widerstandswärme in die zu schweißenden Teile 10 und 11 eingeleitet wird und hierdurch ein Klumpen erzeugt wird, wird ein Nebenschlußstrom, der durch die bereits er­ stellten Schweißstellen geht, bedeutungslos.

Fig. 3 zeigt eine Elektrode 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung. Die Elektrode 1 ist derart ausgelegt, daß sie mittels einer Gewindeverbindung eine schalenförmige Kappe 4 aus Titan auf einem mit Gewinde versehenen Abschnitt 3 vorsieht, der am vorderen Ende ausgebildet ist. Die Kappe 4 umfaßt eine obere Wand 5 und eine Umfangswand 8, eine kreisförmige, öff­ nungsähnliche Vertiefung 7 ist auf der äußeren Fläche der oberen Wand 5 ausgebildet, d.h. am Mittelteil einer oberen Fläche 6, und Innengewindegänge 9, die mit Außen­ gewindegängen 3 zusammenarbeiten, sind auf der inneren Umfangsfläche der Umfangswand 8 ausgebildet. Zusätz­ lich ist die Oberfläche 6 der Kappe 4 als ein Teil einer sphärischen Fläche (als "runde Form" bezeichnet) ausge­ bildet, und daher ist die Dicke der oberen Wand 5 am Mittelabschnitt 14 dick und am Umfangsabschnitt 15 dünn. Der Krümmungsradius der sphärischen Fläche ist ausreichend groß im Vergleich zum Außendurchmesser D der Umfangswand 8.

Da die Kappe 4 die voranstehend angegebene Form hat, und auf Grund der Tatsache, daß die Vertiefung 7 im Mittel­ teil der oberen Fläche 6 ausgebildet ist und die Dicke der oberen Wand 5 am Mittelteil 14 aber am Umfangsteil 15 dünn ist, tritt keine örtliche Erwärmung an der Kontakt­ grenzfläche zwischen der Kappe 4 und dem zu schweißenden Teil auf, wie dies voranstehend angegeben ist, und es läßt sich auch eine übermäßige Vergrößerung des Flächen­ drucks an dem Mittelteil vermeiden, so daß sich eine "Aufnahme" und eine hiermit verbundene "Erosion" der Kappe 4 verhindern lassen und sich hierdurch ein ausge­ zeichnetes kontinuierliches Punktschweißvermögen sicher­ stellen läßt.

Wenn die Elektrode 1 in Kontakt mit den zu schweißenden Teilen gebracht wird, ein Druck aufgebracht und der elektrische Strom durchgeleitet wird, wirkt durch die Druckbeaufschlagung eine große Belastung auf die Kappen 4 ein und es tritt eine momentane stoßartige Wärmebela­ stung in den Kappen 4, verursacht durch den abrupten Temperaturanstieg auf. Diese in den Kappen 4 durch die Wirkung der vorstehend genannten Belastung und des vor­ stehend genannten Wärmestoßes erzeugte Belastungen abzu­ schwächen, ist es zweckmäßig, die Länge (L) der Kappe 4 zu verlängern. Wenn man die Länge (L) vergrößert, läßt sich zusätzlich das Wärmeaufnahmevermögen erhöhen, und auch durch die Vergrößerung des Kontaktbereichs mit dem Elektrodenhauptkörper 2 an dem mit Gewinde versehenen Abschnitt, wird in wirksamer Weise eine Wärmeübertragung zu dem wassergekühlten Elektrodenhauptkörper 2 erzielt. Da auch der Verbindungsbereich mit dem Elektrodenhaupt­ körper 2 vergrößert wird, kann ein Lockern der Kappe 4 verhindert werden. Wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß ein Lockern der Kappe 4 auftritt, würde sich die obere Wand 5 der Kappe 4 von der oberen Endfläche des Elektrodenhauptkörpers 2 lösen, die obere Wand 5 würde sich zurückbewegen und sich infolge der Druckkraft ver­ formen, und der Kontakt mit dem zu schweißenden Teil könnte nicht in korrekter Weise beibehalten werden, wobei das Verhindern des Lösens der Kappe 4 bedeutet, daß die Standzeit bzw. die Haltbarkeit der Kappe 4 sich verbessern läßt.

Ferner ist es zweckmäßig, beim Ausführen des Punkt­ schweißens zuvor Siliconöl auf die obere Fläche 6 der Kappe 4 oder auf die Elektrodenanstoßfläche der zu schwei­ ßenden Teile aufzubringen. Auf diese Weise lassen sich ein "Aufnehmen" und eine hiermit verbundene "Erosion" unterdrücken, und ein kontinuierliches Punktschweißvermö­ gen läßt sich verbessern. Der Entflammungspunkt des Siliconöls liegt niedrig (172°C), und es wird unter einem hohen Druck durch die Kontaktwiderstandswärme, die an der Kontaktgrenzfläche zwischen der Kappe 4 und dem zu schweißenden Teil erzeugt wird, verdampft, ver­ brannt und verkokt, und es wird ein harter, dünner Überzugsfilm mit einer großen Hochtemperaturfestigkeit gebildet. Der Beschichtungsfilm schützt die obere Fläche 6 der Kappe 4 und unterdrückt ein "Aufnehmen" und eine "Erosion" und es läßt sich ein Klumpen erzielen, der immer eine stabile Qualität hat.

Bei einer Elektrode 1 A, die in Fig. 4 gezeigt ist, unterscheidet sich die Auslegung von jener der Elektrode 1 dadurch, daß eine Nietrierbehandlung auf der gesamten Fläche einer Kappe 4 A angewandt wird, die aus Titan be­ steht, eine Kupferplattierbehandlung auf der gesamten inneren Fläche der Kappe 4 A nach der Nitrierbehandlung angewandt wird, und ein Einsatzblech 13 aus Silber zwischen einen Elektrodenhauptkörper 2 A und eine obere Wand 5 A gelegt wird.

Die Wirkung und Vorteile, die man bei der abweichenden Auslegungsform von der Elektrode 1 erhält, sind nach­ stehend aufgelistet:

Nitrierbehandlung...... Durch die Nitrierbe­ handlung wird eine Oberflächenhärte und eine Steifigkeit der Kappe 4 A verbessert. Eine Härte des Titanmaterials, das keiner Nitrierbehandlung unterzogen ist, beläuft sich etwa auf HV 200, während eine Härte eines Titanmaterials nach einer Nitrierbehandlung sich auf etwa HV 1000 be­ läuft, woraus zu ersehen ist, daß sich hierdurch eine beträchtliche Erhöhung der Härte erzielen läßt. Wenn die Oberflächenhärte der Kappe 4 A groß ist, kann schmelz­ flüssiges Material des zu schweißenden Teils kaum an der Kappe 4 A haften, so daß sich folglich die "Aufnahme" und die "Erosion" wirksam unterdrücken lassen, und dank der ausgezeichneten Abriebwiderstandsfähigkeiten Ver­ besserungen hinsichtlich des kontinuierlichen Punkt­ schweißvermögens zu erwarten sind.

Wenn die Steifigkeit der Kappe 4 A groß ist, ist die Erzeugung von Belastungen verursacht durch den Druck­ kontakt mit den zu schweißenden Teilen und die Erzeugung der Belastung verursacht durch das Auftreten der stoß­ artigen Wärmebelastung in Verbindung mit einem abrupten Temperaturanstieg bei der Stromdurchleitung gering, so daß man einen starken, eine Deformation verhindernden Effekt erreicht.

Im Gegensatz zu der Tatsache, daß ein spezifischer elektrischer Widerstand des Titans, das keiner Nitrier­ behandlung unterzogen ist, sich auf 50 µ Ω×cm maximal beläuft, kann hierdurch auch erzielt werden, daß sich ein spezifischer elektrischer Widerstand von TiN maximal auf etwa 130 µ Ω×cm beläuft, so daß sich ein elektri­ scher Widerstand der Kappe 4 A durch die Nitrierbehandlung erhöhen läßt. Folglich wird der Kontaktwiderstand zwischen der Kappe 4 A und dem zu schweißenden Teil erhöht, die Wärmeerzeugung läßt sich verstärken und ferner wird hierdurch die Bildung eines Klumpens erleichtert.

Kupferplattierungsbehandlung...... Wenn eine Kupferplattierungsbehandlung nicht bei der Kappe 4 A angewandt wird, würde sich bei der Durchleitung eines elektrischen Stromes die Joule′sche Wärme am Mittel­ teil der oberen Wand 5 A der Kappe 4 A konzentrieren, und daher ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelteil und dem Umfangsteil (siehe Temperaturver­ teilungskurve in Fig. 5(a)), während hingegen die Kappe 4 A, die einer Kupferplattierungsbehandlung unter­ zogen ist, die Konzentrierung der Joule′schen Wärme im Mittelteil herabgesetzt wird, und somit eine Temperatur­ differenz zwischen dem Mittelteil und dem Umfangsteil verkleinert wird (siehe Temperaturverteilungskurve in Fig. 5(b)). Somit wird durch das Anwenden der Kupfer­ plattierungsbehandlung eine örtliche Erwärmung der zu schweißenden Teile verhindert, die Erzeugung von einer "Aufnahme" und einer "Erosion" wird unterdrückt, und es können Verbesserungen hinsichtlich des kontinuier­ lichen Punktschweißvermögens erwarten lassen.

Da die Kappe 4 A ein Teil ist, das als eine Wärmequelle für die zu schweißenden Teile wirkt, ist es zweckmäßig, daß ihre Temperatur in einem gewissen Maße ansteigt, wobei ein übergroßer Temperaturanstieg vermieden werden muß, da hierdurch die Zerstörung der Kappe 4 A be­ schleunigt wird. In diesem Zusammenhang ist es zweck­ mäßig, einen Kupferplattierungsfilm mit einem guten Wärmeleitvermögen auf der inneren Fläche der Kappe 4 A aufzubringen, und da die Wärmeübertragung zu dem wasser­ gekühlten Elektrodenhauptkörper 2 A gleichmäßig erfolgt, läßt sich ein Überhitzen der Kappe 4 A verhindern.

Anstelle der Kupferplattierungsbehandlung kann eine Plattierungsbehandlung unter Anwendung anderer weiterer Metalle, wie z.B. Silber, verwendet werden.

Verwendung einer Silbereinsatzplatte 13...... Die Einsatzplatte 13 ist hinsichtlich der Materialwahl nicht auf Silber beschränkt, sondern es ist lediglich erforderlich, daß sie aus einem Metall besteht, das ein besseres elektrisches Leitvermögen als den Elektroden­ hauptkörper 2 A, ein besseres Wärmeleitvermögen als die Kappe 4 A und eine geringere Härte als die Kappe 4 A hat. Die Wirkungen und die Vorteile dieser Platte sind ähn­ lich wie im Falle der Silberplattierungsbehandlung, und dank der Tatsache, daß die Einsatzplatte 13 wegen dicht haftend mit dem Elektrodenhauptkörper 2 A und der Kappe 4 A verbunden werden kann, wird der elektrische Stromwirkungsgrad dadurch verbessert, daß der Kontakt­ widerstand zwischen dem Elektrodenhauptkörper 2 A und der Kappe 4 A reduziert wird, die Joule′sche Wärme, die dazu neigt, daß sie sich im Mittelteil der oberen Wand 5 A konzentriert, wird über den Umfangsteil der oberen Wand 5 A verteilt, und da die Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelteil und dem Umfangsteil auf diese Weise reduziert wird, lassen sich Vergrößerungen des Klumpendurchmessers durch Verhindern einer lokalen Überhitzung der zu schweißenden Teile sowie die Ver­ besserungen hinsichtlich des kontinuierlichen Punkt­ schweißvermögens dadurch warten, daß eine "Aufnahme" und eine "Erosion" unterdrückt werden. Zusätzlich ver­ bessert die Einsatzplatte 13 die Wärmeübertragung von der Kappe 4 A zu dem Elektrodenhauptkörper 2 A, und daher läßt sich eine Überhitzung der Kappe 4 A verhindern.

Ferner wurde voranstehend angegeben, daß bei der Durch­ leitung eines elektrischen Stromes eine große Belastung in der Kappe 4 A erzeugt wird, welche durch die Druck­ beaufschlagung auf die Kappe 4 A und auch eine stoßartige Wärmebelastung auf Grund des abrupten Temperaturanstiegs verursacht wird. Um diese Belastungswirkungen und die Belastungskonzentrierungen in der Kappe 4 A durch die stoßartige Wärmebelastung herabzusetzen, ist es zweck­ mäßig, die Einsatzplatte 13 zwischen der oberen Wand 5 A und dem Elektrodenhauptkörper 2 A anzuordnen. Insbesondere wirkt die Einsatzplatte 13 im Hinblick auf die Belastung, die auf die obere Wand 5 A infolge einer Druckkraft wirkt, als ein Art Dämpfungsglied, und zugleich wirkt die Ein­ satzplatte 13 im Hinblick auf eine stoßartige Wärme­ belastung als ein gutes Wärmeübertragungsmedium zu dem wassergekühlten Elektrodenhauptkörper 2 A, so daß ein abrupter Temperaturanstieg an der oberen Wand 5 A ver­ hindert werden kann und somit eine Beschädigung oder Zerstörung der oberen Wand 5 A unterdrückt werden kann.

Schweißversuch

Die Elektrode 1 A, die die vorangehenden Wirkungen und Vorteile hat, wurde bei einem Beispiel nach der Erfindung zum Einsatz gebracht, und es wurde ein Punktschweißen von zwei Aluminiumlegierungsplatten (Plattendicke: 1,0 mm) unter Verwendung einer Einphasen-Wechselstrom- Schweißvorrichtung zum Schweißen der Stahlplatten aus­ geführt, wobei die Schweißmaschine bzw. Schweißvorrich­ tung transportabel war. Aus Vergleichsgründen wurde ein Punktschweißen von zwei Aluminiumlegierungsplatten (Plattendicke:1,0 mm) ohne die Verwendung der Kappen vorgenommen, die aus Titan bestehen, wobei eine Einphasen-Wechselstrom-Schweißmaschine der transportablen Bauart zur Verwendung des Schweißens von Stahlplatten (Vergleich I) verwendet wurde, eine Einphasen-Wechsel­ strom-Schweißmaschine der stationären Bauart (Vergleich II) verwendet wurde, und eine Schweißmaschine der Einphasen-Gleichrichterbauart zum Schweißen von Alu­ miniumplatten verwendet wurde. Die Schweißbedingungen und die Schweißresultate (Klumpendurchmesser, Zug­ scherfestigkeit (Mittelwert)) sind in Tabelle 2 nach­ stehend aufgeführt:

Tabelle 2

Auswertung der Testergebnisse

Aus dem Vergleich zwischen dem Beispiel nach der Erfindung und dem Vergleichsbeispiel I ist zu ersehen, daß man das Schweißen mit einem niedrigen Strom bei einer kurzen Schweißzeit vornehmen kann, was bisher nicht möglich war, wenn man eine Kappe 4 A aus Titan verwendete.

Aus dem Vergleich zwischen dem Beispiel nach der Erfindung und den Vergleichsbeispielen II und III ist zu ersehen, daß durch Anwendung der Kappe aus Titan sich ein Klumpendurchmesser und eine Zugscherfestigkeit gleich oder besser als jene erzielen lassen, wenn man einen großen Strom und eine große Druckkraft anwendet, selbst wenn das Schweißen bei einem kleinen Strom und einer kleinen Druckkraft vorgenommen wird.

Es hat sich bestätigt, daß sich bei dem Beispiel nach der Erfindung ein Schweißen kontinuier­ lich mit 100 Schweißstellen durchführen läßt.

Wenn eine "Aufnahme" oder eine "Erosion" an der Elektrode erzeugt wurde, mußte der entsprechende Teil entfernt werden, und im Gegensatz zu den Ergebnissen bei den Vergleichsbeispielen II und III waren diese Arbeiten zur Entfernung für das Schweißen jeweils bei fünf Schweißstellen erforderlich, während bei der vorliegen­ den Erfindung die Arbeiten zum Entfernen für das Schwei­ ßen nur alle zehn Schweißstellen erforderlich war. Hieraus läßt sich ersehen, daß bei den Kappen 4 A, die aus Titan hergestellt sind, ein "Aufnehmen" und eine "Erosion" kaum auftreten, so daß sich das kontinuierliche Punktschweißvermögen verbessern und hierdurch schließ­ lich Verbesserungen hinsichtlich der Produktivität erzielen lassen.

Zusammenfassend werden Elektroden zur Verwendung beim Punktschweißen angegeben, welche ein metallisches Material Punktschweißen können, das ein großes elektri­ sches Leitvermögen und ein großes Wärmeleitvermögen haben, wobei ein kleiner elektrischer Strom zur Anwendung kommt. Eine schalenförmige Kappe, die aus einem Material hergestellt ist, das ein geringes elektrisches Leitver­ mögen und ein geringes Wärmeleitvermögen sowie eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu dem zu schweißenden Material hat, welche beispielsweise aus Titan hergestellt ist, wird passend auf einem vorderen Endabschnitt eines Elektrodenhauptkörpers angebracht. Die obere Fläche der Kappe hat eine sphärische Gestalt, welche einen großen Krümmungsradius hat, und eine Ver­ tiefung ist im Mittelteil der oberen Fläche ausgebildet. Die Dicke der oberen Wand ist im Mittelteil dick und am Umfangsteil dünn. Eine Plattierung aus einem weichen Metall, das ein besseres Wärmeleitvermögen als der Elektrodenhauptkörper hat, wird auf der gesamten inneren Fläche der Kappe aufgebracht, die in Kontakt mit dem Elektrodenhauptkörper kommt. Wenigstens zwischen der oberen Wand der Kappe und der vorderen Endfläche des Elektrodenhauptkörpers ist ein Plattenteil aus einem Metall angeordnet, das ein besseres elektrisches Leit­ vermögen als der Elektrodenhauptkörper und ein gutes Wärmeleitvermögen und eine geringe Härte im Vergleich zur Kappe hat. Wenigstens die Oberfläche der Kappe wird einer Nitrierungsbehandlung unterzogen.

Claims (8)

1. Elektrode zur Verwendung beim Punktschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Kappe (4, 4 A) vorgesehen ist, die aus einem metallischen Material hergestellt ist, das ein geringes elektrisches Leitvermögen, ein geringes Wärme­ leitvermögen und eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu den zu schweißenden Teilen (10, 11) hat, und diese um ein vorderes Ende eines Elektrodenhaupt­ körpers (2) angebracht ist, wobei die Kappe (4, 4 A) eine obere Fläche (6) hat, deren Form einer sphärischen Fläche angenähert ist, und eine Vertiefung (7) im Mit­ telteil der oberen Fläche (6) ausgebildet ist.

2. Elektrode zur Verwendung beim Punktschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Kappe (4, 4 A), die aus einem metalli­ schen Material hergestellt ist, das ein geringes elek­ trisches Leitvermögen, ein geringes Wärmeleitvermögen und eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu den zu schweißenden Teilen (10, 11) hat, um ein vorderes Ende eines Elektrodenhauptkörpers (2) angebracht ist, und daß die Kappe (4, 4 A) aus Titan besteht.

3. Elektrode zur Verwendung beim Punktschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Kappe (4, 4 A), die aus metallischem Material hergestellt ist, das ein geringes elektri­ sches Leitvermögen, ein geringes Wärmeleitvermögen und eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu den zu schweißenden Teilen (10, 11) hat, um ein vorderes Ende eines Elektrodenhauptkörpers (2) angebracht ist, und daß die Kappe (4, 4 A) eine obere Fläche (6) hat, die eng der Form einer sphärischen Fläche angenähert ist, und eine Wanddicke der oberen Wand (6) im Mittel­ teil (14) dick und am Umfangsteil (15) dünn ist.

4. Elektrode zur Verwendung beim Punktschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Kappe (4, 4 A), die aus einem metalli­ schen Material hergestellt ist, das ein geringes elektrisches Leitvermögen, ein geringes Wärmeleitvermögen und eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu den zu verschweißenden Teilen (10, 11) hat, um ein vorderes Ende eines Elektrodenhauptkörpers (2) passend ange­ bracht ist, und daß eine Plattierung aus weichem Metall, das ein besseres Wärmeleitvermögen als der Elektrodenkörper (2) hat, auf der gesamten inneren Fläche der Kappe (4 A) aufgebracht ist, die in Kontakt mit dem Elektrodenhauptkörper (2) kommt.

5. Elektrode zur Verwendung beim Punktschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Kappe (4, 4 A), die aus einem metallischen Material hergestellt ist, das ein geringes elektri­ sches Leitvermögen, ein geringes Wärmeleitvermögen und eine hohe Schmelzpunkttemperatur im Vergleich zu den zu schweißenden Teilen (10, 11) hat, um ein vorderes Ende eines Elektrodenhauptkörpers (2) passend ange­ bracht ist, und daß ein Plattenteil (13), das aus einem Metall besteht, das ein besseres elektrisches Leitver­ mögen als der Elektrodenhauptkörper (2) und ein gutes Wärmeleitvermögen und eine geringe Härte im Vergleich zu der Kappe (4, 4 A) hat, wenigstens zwischen der oberen Wand (6) der Kappe (4, 4 A) und der vorderen Endfläche des Elektrodenhauptkörpers angeordnet ist.

6. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das weiche Metall Kupfer oder Silber ist.

7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metall, aus dem das Plattenelement (13) ausgebildet ist, Silber ist.

8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (4, 4 A) wenigstens eine obere Wand hat, die einer Nitrierungsbehandlung unterzogen wurde.