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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Schichten, von denen wenigstens eine aus schweißbarem Material besteht, unter Anwendung von elektrischem Strom und Druck sowie unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffs aus schweißfähigem Material, wobei man die beiden Schichten, von denen die eine wenigstens ein Loch hat, übereinanderlegt und einen gerundeten Schweißkörper aus dem Zusatzwerkstoff in Berührung mit der Schweißstelle bringt, worauf durch die Anwendung des elektrischen Stroms und des Drucks auf den Schweißkörper und auf die Schweißstelle der Schweißkörper verformt wird und die beiden Schichten im Bereich der Schweißstelle miteinander verbunden werden.
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Ein derartiges Verfahren beschreibt die US-PS 13 30 241. Die miteinander zu verbindenden Schichten bestehen dort beide aus schweißbarem Material. Der Schweißkörper ist im wesentlichen zylindrisch mit abgerundeter Unterseite geformt. Sein Durchmesser ist so groß, daß er ohne Anwendung von Druck nur am oberen Rand des Lochs anliegt. Würde man die obere, mit dem Loch versehene Schicht aus nicht schweißfähigem Material herstellen, so ließe sich nach diesem bekannten Verfahren keine Schweißverbindung herstellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten vorzuschlagen, mit dem auch Schichen miteinander verbunden werden können, von denen die eine aus nicht schweißbarem Material besteht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß man einen kugelförmigen Schweißkörper verwendet, dessen Durchmesser etwa das Zweifache bis Fünffache der Dicke der mit dem Loch versehenen Schicht beträgt, und daß der Durchmesser des Lochs im Bereich von 94% bis 96% des Durchmessers des Schweißkörpers liegt derart, daß der in das Loch eingesetzte Schweißkörper die Oberseite der darunter befindlichen Schicht berührt.
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Durch diese Maßnahmen wird einerseits der kugelförmige Schweißkörper im Loch zentriert, so daß ein Nebenschluß möglich ist. Es wird auch die Berandung des Loches nicht weggebrannt, was naturgemäß ebenfalls nachteilig wäre. Vielmehr wird durch diese Maßnahmen erreicht, daß der Schweißstrom gut gebündelt zwischen den Schweißelektroden durch die Schweißstelle hindurchgeht, so daß eine hoch belastbare dauerhafte Verbindung der beiden Schichten dadurch hergestellt wid.
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Falls in der Schicht mehrere der Löcher angelegt werden, können größere Gebiete dauerhaft miteinander verschweißt werden.
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Wenn der Schweißkörper derart verformt wird, daß er die mit dem Loch versehene Schicht im Bereich des Lochs teilweise überlappt, nimmt dieser eine etwa pilzförmige Gestalt an und hält dadurch besonders gut die mit dem oder den Löchern versehene Schicht, auch von ihrer Oberseite her.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt
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Fig. 1 schematisch Querschnitte durch zwei miteinander zu verbindende Schichten zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise des neuartigen Verfahrens, und zwar in drei aufeinander folgenden Stufen A, B bzw. C;
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Fig. 2 ebenfalls schematisch derartige Querschnitte zur weiteren Erläuterung von Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritten A, B bzw. C;
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Fig. 3 schematisch einen weiteren Querschnitt zur Darstellung benachbarter Punktschweißungen bei dem Verfahren nach der Erfindung;
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Fig. 4 einen schematischen Schnitt entsprechend Fig. 3 zur Erläuterung des Standes der Technik.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen wenigstens zwei Materialschichten, nämlich eine obere Schicht 2 und eine untere Schicht 4. Erfindungsgemäß liegen diejenigen Teile beider Schichten, die miteinander verbunden werden sollen, übereinander. Die mit der Schicht 4 zu verbindende Schicht 2 kann aus beliebigen schweißfähigen, nicht-schweißfähigem oder nicht leicht schweißfähigem Material bestehen. Die Schicht 4 besteht erfindungsgemäß aus schweißfähigem Material.
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Die erste oder obere Schicht 2 hat ein Loch 6, in das eine Kugel 8 aus schweißfähigem Material eingesetzt werden kann. Das Loch 6 ist vorzugsweise kreisförmig. Die Schweißkugel hat einen Durchmesser, der etwas größer als der Durchmesser des Loches 6 ist.
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Die Größenverhältnisse zwischen der Kugel 8 , der Schicht 2 und dem Loch 6 sind wie folgt: Der Durchmesser D der Kugel geht von 2 T bis 5 T, wobei T die Schichtdicke der oberen Schicht 2 ist. Es wird bevorzugt, wenn der Kugeldurchmesser gleich 4 T ist.
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Der Durchmesser des Loches 6 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Kugel 8. Der Durchmesser des Loches 6 liegt zwischen 94% und 96% und vorzugsweise bei 95% des Kugeldurchmessers.
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Nachdem die Kugel 8, wie in Fig. 1A dargestellt, positioniert worden ist, werden Elektroden 10 und 12 derart angeordnet, daß sie Kontakt mit der Oberseite der Kugel 8 bzw. dem benachbarten Teil der Unterseite der Schicht 4 haben.
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Bei Anwendung eines elektrischen Stromes und eines Drucks entsprechend den üblichen Schweißtechniken wird die Kugel verformt, wie dies die Fig. 1B und 1C zeigen. Die Kugel 8 und die untere Schicht 4 werden miteinander verschweißt, wobei die Kugel 8 verformt worden ist, so daß ein Teil der Oberfläche der oberen Schicht überlappt wird, wodurch die obere Schicht 2 und die untere Schicht 4 miteinander verbunden werden (vgl. insbesondere Fig. 1C).
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Ein Merkmal der Erfindung ist in den Fig. 2A-C dargestellt. Diese Figuren verdeutlichten eine Selbstzentrierung beim erfindungsgemäßen Verfahren.
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Fig. 2A zeigt hierzu, was passiert, wenn die Kugel bezüglich des Loches 6 nicht zentriert ist und die Wände des Loches berührt. Wenn in dieser Situation elektrischer Strom und Druck angelegt wird, passiert das folgende:
- a) Der Berührungswiderstand am Punkt der Anlage zwischen Kugel und Loch ist groß genug, um einen Nebenschluß des Stroms zu verhindern, oder
- b) der Punkt 3 an der Seite des Loches, der die Kugel berührt, wird weggebrannt, so daß die Kugel im Endeffekt wieder zentriert wird, wie dies in Fig. 2B verdeutlicht ist.
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Fig. 2C zeigt, daß die Kugel nach Zentrierung mit der unteren Schicht 4 verschweißt wird und dabei einen Teil der oberen Schicht 2 überlappt, wodurch wiederum die obere Schicht 2 und die untere Schicht 4 miteinander verbunden werden, wie dies vorstehend anhand der Fig. 1 bereits erläutert wurde.
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Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die Verfahrensschritte der an die Elektroden angelegte elektrische Strom praktisch vollständig zum Verschweißen der Kugel mit der unteren Platte verwendet wird. Praktisch gibt es keinen Nebenstrom zu anderen Schweißpunkten. Wie oben erwähnt wurde, zentriert sich die Kugel selbst, wenn sie einmal nicht zentriert eingesetzt sein sollte (vgl. Fig. 2). Dieses Selbstzentrieren verhindert ebenfalls elektrische Nebenströme zu benachbarten Teilen der oberen Schicht, wenn diese aus einem Material besteht, welches elektrisch leitend ist.
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Die Fig. 3 und 4 erläutern und vergleichen die Erfindung mit dem Punktschweißen nach dem Stand der Technik.
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Beim herkömmlichen Punktschweißen (vgl. Fig. 4) besteht die obere Schicht 2 aus einem elektrisch leitenden Material. Es bildet sich dabei ein Strompfad zwischen der oberen Elektrode 10 und der unteren Elektrode 12 aus, wobei der Strom C durch einen benachbarten Schweißpunkt 13 im Nebenschluß oder Kurzschluß geleitet wird. Diese Teilung des Stromes kann eine schlechte Schweißverbindung am neuen Schweißpunkt 14 ergeben, und zwar weil dort nicht ausreichend elektrischer Strom durchfließt. Alternativ kann es notwendig werden, den Abstand L zwischen den aufeinander folgenden Schweißpunkten zu vergrößern, wodurch der Nebenschluß des elektrischen Stromes verringert wird. Diese Abstandsvergrößerung kann aber nicht über ein bestimmtes Maß hinausgehen, ohne daß wiederum die Verbindungsqualität darunter leidet. Eine andere Alternative besteht darin, die elektrische Stromstärke zu vergrößern. Dies wiederum kann, bedingt durch den Nebenschluß durch vorhergehende Schweißpunkte und den Kontaktwiderstand am neuen Schweißpunkt, eine schlechte Schweißverbindung hervorrufen.
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Beim anmeldungsgemäßen Verfahren, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, geht der elektrische Strom daher direkt von der Elektrode 10 durch die Kugel 8 und zur Elektrode 12. Der Abstand L kann frei gewählt werden, um eine starke Verbindung zwischen den Schichten 2 und 4 zu erreichen, weil der Strom keinen Nebenschluß zum benachbarten Schweißpunkt 16 findet.
Beispiel
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Die obere Schicht war 0,7112 mm dick und bestand aus Federstahl C1095, gehärtet auf eine Rockwell-Härte C-50, die mit herkömmlichen Schweißverfahren nicht geschweißt werden kann. Die untere Schicht war 0,9525 mm dick und bestand aus kaltgerolltem Stahl der Qualität C1018.
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Die obere Schicht hatte ein kreisförmiges Loch mit einem Durchmesser von 3,048 mm. Eine Kugel mit einem Durchmesser von 3,175 mm aus Stahl der Qualität C1018 wurde in das Loch eingesetzt. Die obere und die untere Elektrode wurden an die Oberseite der Kugel bzw. an die benachbarte Unterseite der unteren Schicht angelegt.
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Nach dem Schweißvorgang waren die beiden Schichten miteinander verschweißt.
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Aufeinanderfolgende und benachbarte Schweißpunkte wurden hergestellt, wobei der Abstand L zwischen den Schweißpunkten 19 mm betrug. Es ergab sich kein Stromverlust bezüglich vorausgehender Schweißpunkte, weil völlig zufriedenstellende neue Schweißpunkte gebildet wurden, ohne daß die Stromstärke bei den neuen Schweißpunkten vergrößert wurde und auch ohne Vergrößerung der Schweißzeit oder des Schweißdrucks für jeden Schweißpunkt.
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Wichtig bei der Erfindung ist es somit, daß ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Schichten aus Materialien vorgeschlagen wird, von denen eine Schicht aus schweißfähigem Material besteht. Wenigstens eine der Schichten hat eine Öffnung zur Aufnahme einer Kugel aus schweißfähigem Material, so daß die Kugel die Schicht aus schweißfähigem Material berührt. Der Durchmesser des Loches liegt im Bereich von 94 bis 96% des Durchmesses der Kugel. Der Durchmesser der Kugel liegt im Bereich der zweifachen bis fünffachen Dicke der Schicht desjenigen Materials, welches das Loch hat. Wärme und Druck werden in ausreichender Quantität und lange genug angelegt, um die Kugel mit der Schicht aus schweißfähigem Material zu verschweißen. Die Kugel wird deformiert, so daß sie die andere Schicht teilweise überlappt, wodurch beide Schichten miteinander verbunden werden.