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DE4110539A1 - Beschichtetes bauteil - Google Patents

Beschichtetes bauteil

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Publication number
DE4110539A1
DE4110539A1 DE19914110539 DE4110539A DE4110539A1 DE 4110539 A1 DE4110539 A1 DE 4110539A1 DE 19914110539 DE19914110539 DE 19914110539 DE 4110539 A DE4110539 A DE 4110539A DE 4110539 A1 DE4110539 A1 DE 4110539A1
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DE
Germany
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component
component according
welding
electrode
coating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19914110539
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English (en)
Inventor
Klaus Dietzel
Robert Dipl Ing Beyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Publication of DE4110539A1 publication Critical patent/DE4110539A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, dessen Grundwerkstoff über­ wiegend Kupfer ist.
Insbesondere Elektroden von Widerstandsschweißvorrichtungen sind in der Massenfertigung hohen Verschleißbelastungen ausge­ setzt. Der Grundwerkstoff dieser Elektroden besteht aus Kupfer, das bekanntlich eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf­ weist. Da hauptsächlich Stahlwerkstoffe durch Widerstandsschwei­ ßen miteinander verbunden werden, wird das im Vergleich zu Stahl wesentlich weichere Kupfer aufgrund der für den Schweiß­ vorgang notwendigen Elektrodenanpreßkraft einer besonders hohen mechanischen Belastung ausgesetzt, so daß die Elektroden über Längere Betriebsdauern hinweg nicht formbeständig bleiben. Ein zusätzliches Problem tritt dann auf, wenn beispielsweise verzinkte Bleche durch Widerstandsschweißen miteinander zu verbinden sind. In diesem Falle werden die beim Schweißvorgang mit dem Werkstück in Verbindung stehenden Kontaktstellen der Elektrode mit Zink auflegiert, so daß in den Randbereichen der Elektrode den Grundwerkstoff verunreinigendes Messing ent­ steht, das wiederum eine deutlich schlechtere elektrische Leit­ fähigkeit besitzt als das Kupfer des Elektrodenwerkstoffes. Der sich somit allmählich erhöhende Übergangswiderstand von der Elektrode zum Werkstück kann zur Aufrechterhaltung der Schweißqualität nur durch eine Erhöhung der Elektrodenanpreßkraft kompensiert werden, was dann aber wiederum aus den zuvor bereits genannten Gründen zum beschleunigten Verschleiß der Elektrode führt. Hinzu kommen abrasive Beanspruchungen der Elektrode, die aus Verunreinigungen wie Fett und Staub auf den Stahlblechen resultieren.
Verschmutzungsbedingte Probleme treten auch beim Metallschutzgas­ schweißen und beim Wolfram-Inertgas-Schweißen auf. Die für diese Schweißverfahren üblicherweise verwendeten Schweißbren­ ner werden ebenfalls insbesondere bei der Massenfertigung schnell durch Spritzer flüssigen Metalls sowie durch beim Schweißprozeß gegebenenfalls entstehende Rauchgase verschmutzt oder sogar verstopft. Bislang bekannte Beschichtungen, beispielsweise der Schutzgasdüse, solcher Schweißbrenner haben dieses Problem nicht zufriedenstellend lösen können.
Am weitesten verbreitet ist die industrialisierte Beschichtung von verschiedenen Stählen mit Karbiden oder Nitriden. Dies veranschaulicht eine tabellarische Zusammenstellung in dem Buch "Dünnschichttechnologie" (VDI-Verlag Düsseldorf 1987, Frey und Kienel, Seite 542). In dem Kapitel "Bevorzugte Be­ schichtungsmethoden für tribologisch beanspruchte Schichten" (Seiten 540-559) werden aber dem Fachmann keinerlei Hinweise zur Lösung der oben genannten Probleme bei Kupferwerkstoffen gegeben.
Verschmutzungs- und Verschleißprobleme treten jedoch nicht nur an Kupferteilen auf, die unmittelbar oder mittelbar im Zusammenhang mit einem Schweißvorgang stehen, sondern beispiels­ weise auch an häufig schaltende Kontakten in elektrischen Bau­ teilen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für Bauteile, deren Grundwerkstoff überwiegend Kupfer ist, eine Beschichtung vorzusehen, welche die Neigung des Grund­ werkstoffes zu mikroskopischen oder makroskopischen Verunreini­ gungen verringert und vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar zu einer Verlängerung der Gebrauchsdauer des Bauteils, beispiels­ weise durch eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit, beiträgt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Beschichtung von Kupfer­ bauteilen mit Titannitrid- oder Titancarbonitridverbindungen.
Der besondere Vorteil an dieser Art der Beschichtung ist darin zu sehen, daß aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit von Titannitrid die elektrischen Eigenschaften der so beschich­ teten Kupferbauteile gegenüber ihrem Grundzustand kaum verschlech­ tert sind. Erfinderseitig ist man darüber hinaus zu der Erkennt­ nis gelangt, daß der durch die Beschichtung erzielte Standzeit­ gewinn an Kupferbauteilen den zusätzlichen Aufwand für die Beschichtung wirtschaftlich rechtfertigt. Außerdem lassen sich gerade beim Widerstandsschweißen über längere Zeit hinweg repro­ duzierbare Schweißergebnisse erzielen, ohne daß aufwendige Parameteränderungen an den den Schweißprozeß kontrollierenden Regeleinrichtungen vorgenommen werden müssen. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß die erfindungsgemäße Beschichtung auch dann sinnvoll ist, wenn die Bauteile hauptsächlich einer Verschmutzungsbelastung, aber nur unwesentlich einer mechanischen Verschleißbelastung ausgesetzt sind. Es ergibt sich deshalb für erfindungsgemäß beschichtete Kupferbauteile ein weites Anwendungsspektrum.
Besonders vorteilhafte Anwendungsfälle für erfindungsgemäß beschichtete Bauteile sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 Kupferelektroden einer Punktschweißvorrichtung,
Fig. 2 Kupferelektroden einer Buckelschweißvorrichtung,
Fig. 3 Rollenelektroden einer Rollennahtschweißvorrich­ tung,
Fig. 4 eine Seitenansicht der Rollennahtschweißein­ richtung in Pfeilrichtung A gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Metallschutzgasbrenner und
Fig. 6 einen Wolfram-Inertgas-Schweißbrenner.
In allen Figuren sind gleiche Bauteile gleich beziffert.
Man erkennt in Fig. 1 Punktschweißelektroden 1 und 2, die durch hier nicht dargestellte Aktuatoren mit Anpreßkräften F beaufschlagbar sind und eine schraffiert dargestellte Beschich­ tung B aufweisen. Im Falle der Beaufschlagung drücken sie Bleche 3 und 4 zusammen. Über Leitungen 5, 6 sind die Elektroden mit einem hier nur schematisch dargestellten Schweißtransforma­ tor 7 verbunden. Die Elektroden 1, 2 weisen an ihren stirn­ seitigen Enden 8, 9 Abrundungen auf, um so an den Werkstücken 3,4 einen erhöhten Anpreßdruck erzeugen zu können. Die die Werkstücke 3, 4 direkt kontaktierenden Bereiche der Elektroden 1, 2 sind einer erhöhten mechanischen Verschleißbelastung aus­ gesetzt. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit weisen deshalb die Elektroden 1, 2 zumindest in den Bereichen eine Titannitrid­ oder Titancarbonitrid-Beschichtung auf, die beim Schweißvorgang die Werkstücke 3, 4 beaufschlagen. Es hat sich herausgestellt, daß bei Schichtdicken von 1 bis 10 µm eine deutliche Steigerung der Verschleißfestigkeit bei einer kaum feststellbaren Einbuße an elektrischer Leitfähigkeit gegeben ist. Für den Einsatz derart beschichteter Kupferelektroden müßten also bei einer automatisch gesteuerten Widerstandsschweißeinrichtung keine aufwendigen Parameteränderungen (beispielsweise für Anpreß­ kraft und Schweißstrom sowie Anpreßdauer) vorgenommen werden. Besonders gute Resultate wurden erzielt für Schichtdicken Zwi­ schen 1,5 und 4 µm. Für die Aufbringung der Titannitrid- oder Titancarbonitrid-Beschichtung eignen sich besonders PVD (Phy­ sical-Vapour-Deposition)- oder CVD (Chemical-Vapour-Deposition) -Verfahren. Diese können auch plasmagestützt sein.
Dem Punktschweißen sehr ähnlich ist das sogenannte Buckelschwei­ ßen, das mit Hilfe der Fig. 2 näher erläutert werden soll. Die Elektroden 1′, 2′ sind an ihren stirnseitigen Enden 8′, 9′ flach ausgebildet und drücken das flache Werkstück 3 sowie das mit einem Buckel versehene Werkstück 4′ zusammen. Im Gegen­ satz zu den in Fig. 1 dargestellten Elektroden 1, 2 sind die Elektroden 1′, 2′ hier nur teilweise beschichtet. Eine derartige Teilbeschichtung B′ ist weniger materialaufwendig, erfordert aber einen größeren apparativen Aufwand beim Chargieren von Elektroden in Einrichtungen zur Durchführung von PVD- bzw. CVD-Verfahren.
In den Fig. 3 und 4 ist ebenfalls nur schematisch eine Rollen­ nahtschweißvorrichtung angedeutet. Diese weist Rollen 10, 11 auf, deren Grundwerkstoff ebenfalls Kupfer ist und die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Rollen 10, 11 drücken die Werkstücke 3, 4 gegeneinander und erzeugen in dem Übergangs­ bereich zwischen Werkstoff 3 und Werkstoff 4 je nach Steuerung der Schweißparameter unterschiedlich große und unterschiedlich weit auseinanderliegende Schweißpunkte. Die Rollen 10, 11 kön­ nen gemäß Fig. 3 vollständig (Beschichtung B) oder gemäß Fig. 4 nur in äußeren Bereichen (Teilbeschichtung B′) beschichtet sein.
Fig. 5 zeigt einen Schweißbrenner 14 für das MSG (Metall-Schutz­ gasschweißen), dessen hier wesentliche Elemente eine Kontaktdüse 15 und eine Schutzgasdüse 16 sind. Der Grundwerkstoff dieser beiden Bauteile ist ebenfalls überwiegend Kupfer. Insbesondere beim Metall-Aktivgas-Schweißen werden sowohl die Kontaktdüse 15 als auch die Schutzgasdüse 16 einer erhöhten Spritzbelastung durch flüssiges Schweißgut ausgesetzt. Erfinderseitig ist nun festgestellt worden, daß durch die Beschichtung dieser Bauteile mit Titannitrid oder Titancarbonitrid das auf diese Bauteile gespritzte flüssige Schweißgut sehr schlecht haftet und deshalb aus dem Schweißbrenner wieder herausfällt. Praktische Versuche haben gezeigt, daß mit erfindungsgemäß beschichteten Kupferteilen versehene Schweißbrenner erheblich später durch Verschmutzung unbrauchbar werden als bislang üblicherweise eingesetzte Schweiß­ brenner.
Ein Schweißbrenner für das WIG (Wolfram-Inertgas) -Schweißen ist in Fig. 6 mit 17 bezeichnet. Dessen wesentliche Bauteile sind eine Schutzgasdüse 18 und eine Spannhülse 19 zur Fixierung einer Wolfram-Elektrode 20. Man erkennt, daß der WIG-Schweiß­ brenner 17 in seinem Aufbau dem MSG-Schweißbrenner 14 grund­ sätzlich gleicht. Auch beim WIG-Schweißen hat sich herausge­ stellt, daß die erfindungsgemäß beschichteten Bauteile, also hier die Schutzgasdüse 18 und die Spannhülse 19, wesentlich weniger stark verschmutzungsanfällig sind.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise auch denkbar, das mechanisch hoch belastete Kupferteile in elektri­ schen Schaltelementen mit einer Titannitrid- oder Titancarbo­ nitrid-Verbindung beschichtet werden, um so deren Gebrauchs­ dauer zu erhöhen.

Claims (17)

1. Bauteil, dessen Grundwerkstoff überwiegend Kupfer ist, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Titannitrid- oder Titan­ carbonitrid-Verbindung beschichtet ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Elektrode einer Widerstandsschweißvorrichtung ist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Widerstandspunktschweißelektrode (Elektroden 1, 2) ist.
4. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Rollenelektrode (10, 11) für eine Rollennaht­ schweißvorrichtung ist.
5. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Buckelschweißelektrode (Elektroden 1′, 2′) ist.
6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Konstruktionselement eines Schweißbrenners (17) für das WIG (Wolfram-Inertgas)-Schweißverfahren ist.
7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Konstruktionselement eines Schweißbrenners (14) für das MSG (Metall-Schutzgas)-Schweißverfahren ist.
8. Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionselement eine Schutzgasdüse (16, 18) ist.
9. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionselement eine Spannhülse (19) zur Befestigung einer Wolfram-Elektrode (20) ist.
10. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionselement eine von einer Drahtelektrode durch­ dringbare Kontaktdüse (15) ist.
11. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil Bestandteil eines elektrischen Schaltelementes ist.
12. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil nur an verschleiß­ anfälligen Stellen beschichtet ist.
13. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung zwi­ schen 1 und 10 µm beträgt.
14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung zwischen 1,5 und 4 µm beträgt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein PVD (Physical-Vapour-Deposition)-Verfahren angewendet wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein CVD (Chemical-Vapour-Deposition) angewandet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein plasmagestütztes Verfahren angewendet wird.
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