DE3834829A1 - Widerstandsschweissbarer verbundwerkstoff - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe aus in der Regel
zwei Stahlblechdeckschichten und einer Kunststoffzwischen
schicht. Diese Kunststoffzwischenschicht oder -kernschicht
besteht vorzugsweise aus viskoelastischen oder schubsteifen
Kunststoffen.
Verbundwerkstoffe mit einer dünnen (z. B. 50-200 µm) und
viskoelastischen Kunststoff-Zwischenschicht wirken schwin
gungs- und körperschalldämpfend und finden überall dort An
wendung, wo es um Lärmbekämpfung geht, insbesondere um die
Verminderung von Körperschallausbreitung und Luftschallab
strahlung. Als Anwendungsbeispiele sind der Fahrzeugbau, die
Hausgeräteindustrie und der Maschinenbau zu nennen.
Verbundwerkstoffe mit einer relativ dickeren (z. B. 200-
1000 µm) und schubsteifen Kunststoff-Zwischenschicht haben
ein geringeres Flächengewicht als ein Stahlblech gleicher
Steifigkeit oder sind steifer als ein gleichschweres Stahl
blech und sind überall dort mit Erfolg einsetzbar, wo es auf
geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit ankommt.
Diese Verbundwerkstoffe finden ihre Anwendung im Flugzeug-
und Karrosseriebau. -
Die praktische Anwendbarkeit der beschriebenen Verbundwerk
stoffe hängt weitestgehend von ihren Verarbeitungseigenschaf
ten beim Trennen, Umformen und Fügen ab. Die meisten Verar
beitungsverfahren bereiten keine Schwierigkeiten prinzipiel
ler Natur; es sind lediglich gegenüber gleichsteifem Voll
blech veränderte Werkzeug- und Maschinenparameter zu berück
sichtigen. Grundsätzlich anders hingegen ist die Situation
beim elektrischen Widerstandsschweißen als einem der verbrei
tetsten und wirtschaftlichsten Fügeverfahren in der industri
ellen Fertigungstechnik, weil hier infolge der elektrisch
isolierenden Kunststoff-Zwischenschicht im Falle von Verbund
werkstoffen mit viskoelastischer Zwischenschicht - im Unter
schied zu Vollblech - ein elektrischer Stromfluß nur mit um
ständlichen Sondermaßnahmen zu erreichen ist. Im Falle von
Verbundwerkstoffen mit schubsteifer Zwischenschicht kommt so
gar nicht einmal dann ein Stromfluß zustande. Punkt- und Rol
lennahtschweißen ist daher sehr aufwendig bzw. überhaupt
nicht möglich.
Eine Sondermaßnahme besteht bei viskoelastischen Zwischen
schichten darin, vor jeder Punktschweißung einen elektrischen
Nebenschluß z. B. durch eine Metallklemme oder einen Körner
punkt oder den jeweils vorausgegangenen Schweißpunkt zu er
zeugen. Der durch den Nebenfluß fließende Strom erwärmt ört
lich die Deckbleche und somit auch die Kunststoff-Zwischen
schicht; diese erweicht, so daß nunmehr die Elektrodendruck
kraft ausreicht, die Zwischenschicht beiseite zu drücken,
beide Deckbleche direkt in Berührung zu bringen und die
Punktverschweißung damit auszulösen. Dieses sukzessive
"Punkt-nach-Punkt-Verfahren" ist jedoch z. B. im Karrosserie
bau, wo in getakteten Schweißstraßen bis zu 20 Schweißpunkte
auf einmal gesetzt werden, kaum anwendbar.
Es hat daher nicht an Überlegungen gefehlt, durch geeignete
Maßnahmen das elektrische Widerstandsschweißen von Schicht
verbundwerkstoff ähnlich problemlos wie bei der Verschweißung
von Vollblech zu gestalten. Eine naheliegende Maßnahme be
steht z. B. darin, die Kunststoff-Zwischenschicht vor der
Verbundblechherstellung mit elektrisch leitenden Pigmenten
aus geeignetem Material von geeigneter Kornform, geeigneter
Korngröße bzw. Kornfraktion und geeignetem Volumenanteil
zu versehen. So ist z. B. bekannt geworden, daß einige Ver
bundblechhersteller der Kunststoff-Zwischenschicht Nickelpul
ver bzw. Graphitpulver beimischen, wodurch in der Tat punkt
schweißbare Schichtverbundwerkstoffe erhalten werden. Die
Nachteile dieser Verfahren sind groß und lassen sich nicht in
allen Bereichen anwenden:
Die Anwendung dieser Verfahren ist z. B. nur auf sehr dünne
Zwischenschichten beschränkt.
Nickelpulver ist ungewöhnlich teuer und mit einer Dichte
8,9 kg/dm3 relativ schwer, was insbesondere bei Leichtbau-
Verbundblechen ein großer Nachteil ist. Ein weiterer Nachteil
ist der Nickeldampf, der beim Schweißen immer entsteht und
nach der TRK nicht zugelassen ist.
Graphitpulver muß wegen seines hohen elektrischen Übergangs
widerstandes in hohem Volumenanteil (von 15-25 Volumenpro
zent) beigegeben werden, wodurch sich einige Eigenschaften
der Kunststoff-Zwischenschicht wie Haftung zum Deckblech,
Dämpfungsfaktor, Schubsteifigkeit und Herstellbarkeit sowie
die Güte des Schweißpunktes durch Aufkohlung wesentlich ver
schlechtern. Ferner ist keine identische Reproduzierbarkeit
der Schweißpunkte zu erreichen. Die Ausfallrate ist größer
als 10%.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch geeignete
technische Maßnahmen Verbundwerkstoffe derart zu entwickeln,
daß sowohl körperschalldämpfende Verbundbleche als auch
Leichtbau-Verbundbleche ähnlich wie Vollblech elektrisch
widerstandsgeschweißt werden können.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kunststoffzwischen
schicht mit elektrisch leitenden Pigmenten wie Ferrosilizium
in bestimmten Volumenprozenten und Korngrößen soweit gleich
mäßig verteilt angereichert wird, daß der Verbundwerkstoff
widerstandsschweißbar ist.
Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daß andere Verfahren als
die Einmischung elektrisch leitender Pigmente in die Kunst
stoff-Zwischenschicht wie z. B. die Verwendung von elektrisch
leitenden Kunststofftypen, die Verwendung von Elektroden mit
Körnerspitze oder die Verwendung von Deckblechen mit Riffe
lung bzw. "höckerförmiger" Prägung nicht zum Ziele führen.
Die wenigen elektrisch leitenden Kunststoffe, die es gibt,
haben keinen ausreichenden Verlustfaktor, haften nicht ohne
zusätzlichen Kleber an den Deckblechen, sind sehr teuer und
haben zudem einen hohen elektrischen Übergangswiderstand. Sie
kommen deshalb für schweißbare Verbundwerkstoffe nicht in Be
tracht.
Elektroden mit Körnerspitzen aus Wolfram führten - obwohl
ausreichend tiefe Körnerpunkte entstanden - zu keiner Punkt
verschweißung, weil es bereits in der Niedrigstrom-Vorwärm
phase zu einem Abschmelzen der Körnerspitzen kam. Bei
Schichtverbundwerkstoffen mit einem glatten und einem "ge
höckerten" Deckblech fanden zwar aufgrund des elektrischen
Kontaktes zwischen "Höckerspitzen" und glattem Gegenblech
Punktverschweißungen statt, jedoch sehr oft nicht an der ge
wünschten Stelle, wo die Elektroden angesetzt waren, sondern
z. T. auch an benachbarten "Höckerpunkten", wo - bedingt
durch unvermeidliche Maßtoleranzen - zufällig ein niedrigerer
Stromwiderstand herrschte und der Schweißvorgang daher dort
zuerst ausgelöst wurde.
Aufgrund dieser Negativergebnisse wurden nun Versuche an Ver
bundblechen mit unterschiedlich pigmentierten Kunststoff-Zwi
schenschichten durchgeführt. Auch hier stellten sich teilwei
se negative Resultate ein: Verschiedene Metallpulver wie Alu
minium, Eisen oder Magnesium führten zu überhaupt keiner
Schweißbarkeit; die Oxidschicht auf den Kornoberflächen war
zu stark. Andere Metallpulver wie z. B. Edelstahl oder Nickel
erfüllten zwar die Zielvorgabe der Schweißbarkeit ohne Neben
schluß, wiesen jedoch andere, bereits genannte Nachteile
auf.
Die Fig. 1 zeigt ein mögliches Beispiel einer Widerstand
schweißung von Verbundwerkstoffen. Zwischen den Schweißelek
troden (1) sind die zu verschweißenden Verbundwerkstoffe ein
gespannt. Die beiden Verbundwerkstoffe sind gleich und beste
hen aus je zwei Decklagen Stahlblech (2) und je einer Kunst
stoffkernschicht (3). Diese Kunststoffkernschicht (3) ist mit
Kornfraktionen (4) aus einer Ferrolegierung, vorzugsweise
Ferrosilizium, in geeigneten Volumenanteilen angereichert.
Die infolge des Mahlvorgangs gebrochene Kornform des Ferrosi
liziumpulvers, die sich deutlich von der sphärischen Kornform
von Nickelpulver unterscheidet, wirkt sich auf die elektri
sche Widerstandsschweißbarkeit nicht nachteilig aus. Die Tat
sache, daß die maximale Korngröße der Kornfraktion um bis zu
30% größer ist als die Kernschichtdicke, ist kein Wider
spruch. Infolge des Anpreßdruckes bei der Verbundblechherstel
lung brechen herausragende Spitzen oder Ecken des Einzelkorns
z. T. ab oder drücken sich leicht in das Deckblech ein, so
daß die Soll-Kernschichtdicke exakt eingehalten wird.
Das gemahlene Ferrosiliziumpulver in geeigneter Kornfraktion
und in geeignetem Volumenanteil erfüllt somit alle Ansprüche,
die eine 100%ige Punktschweißbarkeit gewährleisten, und zwar
ohne die Nachteile, die für andere Pigmentierungen - wie vor
angehend erläutert - bestehen. Die reproduzierbare Schweiß
punktgüte steht einem normalen Stahlblech nicht nach. Mit
einer Wichte von 2,8 kg/dm3 ist Ferrosilizium sehr leicht,
verursacht beim Schweißvorgang keine gesundheitsschädlichen
Dämpfe und ist ohne negative Rückwirkung auf die Schweißpunkt
güte verarbeitbar.
Verbundbleche der vorgenannten Art können somit problemlos
untereinander sowie auch mit Vollblech punktgeschweißt
werden.
Claims (3)
1. Widerstandsschweißbarer, dreischichtiger Verbundwerkstoff,
der aus zwei Stahldeckblechen und dazwischen liegender
Kunststoffkernschicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kunststoffkernschicht Pulver einer Ferrolegierung,
vorzugsweise Ferrosilizium, in einer Menge von mindestens
3 Volumenprozenten und in Korngrößen von 70 bis 130% der
Dicke der Kunststoffschicht in gleichmäßiger Verteilung
enthält.
2. Widerstandsschweißbarer Verbundwerkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkernschicht Fer
rosiliziumpulver in einer Menge von 5 bis 10 Volumenpro
zent enthält.
3. Widerstandsschweißbarer Verbundwerkstoff nach den Ansprü
chen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff
kernschicht Ferrosiliziumpulver in Korngrößen von 90 bis
120% der Dicke der Kunststoffschicht enthält.
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