DE3834829C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen widerstandsschweißbaren, dreischich­ tigen schwingungsdämpfenden Verbundwerkstoff, der aus zwei Stahl­ deckblechen und dazwischen liegender viskoelastischer Kunststoff­ kernschicht besteht.

Verbundwerkstoffe mit einer dünnen (z. B. 50-200 µm) und visko­ elastischen Kunststoffkernschicht wirken schwingungs- und körper­ schalldämpfend und finden überall dort Anwendung, wo es um Lärm­ bekämpfung geht, insbesondere um die Verminderung von Körper­ schallausbreitung und Luftschallabstrahlung. Als Anwendungsbei­ spiele sind der Fahrzeugbau, die Hausgeräteindustrie und der Ma­ schinenbau zu nennen.

Verbundwerkstoffe mit einer relativ dicken (z. B. 200-1000 µm) und schubsteifen Kunststoffkernschicht haben ein geringeres Flä­ chengewicht als ein Stahlblech gleicher Steifigkeit oder sind steifer als ein gleichschweres Stahlblech und sind überall dort mit Erfolg einsetzbar, wo es auf geringes Gewicht bei gleichzei­ tig hoher Steifigkeit ankommt. Diese Verbundwerkstoffe finden ihre Anwendung im Flugzeug- und Karrosseriebau.

Die praktische Anwendbarkeit der beschriebenen Verbundwerkstoffe hängt weitestgehend von ihren Verarbeitungseigenschaften beim Trennen, Umformen und Fügen ab. Die meisten Verarbeitungsverfah­ ren bereiten keine Schwierigkeiten prinzipieller Natur; es sind lediglich gegenüber gleichsteifem Vollblech veränderte Werkzeug- und Maschinenparameter zu berücksichtigen. Grundsätzlich anders hingegen ist die Situation beim elektrischen Widerstandsschweißen als einem der verbreitetsten und wirtschaftlichsten Fügeverfahren in der industriellen Fertigungstechnik, weil hier infolge der elektrisch isolierenden Kunststoffkernschicht im Falle von Ver­ bundwerkstoffen mit viskoelastischer Zwischenschicht - im Unter­ schied zu Vollblech - ein elektrischer Stromfluß nur mit umständ­ lichen Sondermaßnahmen zu erreichen ist. lm Falle von Verbund­ werkstoffen mit schubsteifer Zwischenschicht kommt sogar nicht einmal dann ein Stromfluß zustande. Punkt- und Rollennahtschwei­ ßen ist daher sehr aufwendig bzw. überhaupt nicht möglich.

Eine Sondermaßnahme besteht bei viskoelastischen Zwischenschich­ ten darin, vor jeder Punktschweißung einen elektrischen Neben­ schluß z. B. durch eine Metallklemme oder einen Körnerpunkt oder den jeweils vorausgegangenen Schweißpunkt zu erzeugen. Der durch den Nebenfluß fließende Strom erwärmt örtlich die Deckbleche und somit auch die Kunststoffkernschicht; diese erweicht, so daß nunmehr die Elektrodendruckkraft ausreicht, die Zwischenschicht beiseite zu drücken, beide Deckbleche direkt in Berührung zu bringen und die Punktverschweißung damit auszulösen. Dieses suk­ zessive "Punkt-nach-Punkt-Verfahren" ist jedoch z. B. im Karros­ seriebau, wo in getakteten Schweißstraßen bis zu 20 Schweißpunkte auf einmal gesetzt werden, kaum anwendbar.

Es hat daher nicht an Überlegungen gefehlt, durch geeignete Maß­ nahmen das elektrische Widerstandsschweißen von Schichtverbund­ werkstoff ähnlich problemlos wie bei der Verschweißung von Voll­ blech zu gestalten. Eine bekannte Maßnahme besteht z. B. darin, die Kunststoffkernschicht vor der Verbundblechherstellung mit elektrisch leitenden Pigmenten aus geeignetem Material von geeig­ neter Kornform, geeigneter Korngröße bzw. Kornfraktion und geeig­ netem Volumenanteil zu versehen. So mischen einige Verbundblech­ hersteller der Kunststoffkernschicht Nickelpulver bzw. Graphit­ pulver bei, wodurch in der Tat punktschweißbare Schichtverbund­ werkstoffe 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 Zwi­ schenschichten beschränkt.

Nickelpulver ist ungewöhnlich teuer und mit einer Wichte von 8,9 kg/dm³ relativ schwer, was insbesondere bei Leichtbau-Ver­ bundblechen 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 Übergangswider­ standes in hohem Volumenanteil (von 15-25 Volumenprozent) bei­ gegeben werden, wodurch sich einige Eigenschaften der Kunststoff­ kernschicht wie Haftung zum Deckblech, Dämpfungsfaktor, Schub­ steifigkeit und Herstellbarkeit sowie die Güte des Schweißpunktes durch Aufkohlung wesentlich verschlechtern. Ferner ist keine identische Reproduzierbarkeit der Schweißpunkte zu erreichen. Die Ausfallrate ist größer als 10%.

In einem Aufsatz von Akihiko Nishimoto et al unter dem Titel "Weldable Vibration Damping Steel Sheet", abgedruckt in der NKK Technical Review Nr. 53 (1988) Seite 10-18 wird eingehend auf die Problematik des Widerstandsschweißens bei der Verarbei­ tung von Schichtverbundwerkstoffen eingegangen. Dieser Litera­ turstelle kann entnommen werden, daß die Art, der Volumenanteil und die Korngröße des in der Kunststoffkernschicht verwendeten Pulvers die entscheidenden Einflußgrößen für das elektrische Wi­ derstandsschweißen des Verbundkörpers darstellen. Näher ausge­ führt werden Untersuchungen unter Verwendung von Ni- oder Fe- Pulver erwähnt, die allerdings auch noch keine zufriedenstellen­ den Lösungen brachten, wie auch bereits oben z. B. zu Ni-Pulver ausgeführt.

Aus der DE 34 26 770 A1 erhält man den Hinweis, daß das Zusetzen von eisenhaltigen Partikeln wie z. B. Stahl oder Edelstahl zu Dichtungsmassen, die zwischen zwei Metallstücken angeordnet sind, das elektrische Widerstandsschweißen der Metallstücke miteinander ermöglicht. Dabei handelt es sich aber nicht um fest zusammenge­ fügte Schichtverbundstoffe, die aufgrund ihrer Beschaffenheit entweder schallisolierend oder aber schubsteif sind und damit ein geringeres Flächengewicht zu herkömmlichen Materialien aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wider­ standsschweißbaren, dreischichtigen schwingungdämpfenden Verbund­ werkstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf einfa­ che Weise wie Vollblech widerstandsgeschweißt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspru­ ches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen des Gegenstandes des Anspruches 1 sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen.

Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daß andere Verfahren als die Einmischung elektrisch leitender Pigmente in die Kunststoffkern­ schicht wie z. B. die Verwendung von elektrisch leitenden Kunst­ stofftypen, die Verwendung von Elektroden mit Körnerspitze oder die Verwendung von Deckblechen mit Riffelung bzw. "höckerförmi­ ger" Prägung nicht zum Ziele führen.

Die wenigen elektrisch leitenden Kunststoffe, die es gibt, haben keinen ausreichenden Verlustfaktor, haften nicht ohne zusätzli­ chen Kleber an den Deckblechen, sind sehr teuer und haben zudem einen hohen elektrischen Übergangswiderstand. Sie kommen deshalb für schweißbare Verbundwerkstoffe nicht in Betracht.

Elektroden mit Körnerspitzen aus Wolfram führten - obwohl ausrei­ chend tiefe Körnerpunkte entstanden - zu keiner Punktverschwei­ ßung, weil es bereits in der Niedrigstrom-Vorwärmphase zu einem Abschmelzen der Körnerspitzen kam. Bei Schichtverbundwerkstoffen mit einem glatten und einem "gehöckerten" Deckblech fanden zwar aufgrund des elektrischen Kontaktes zwischen "Höckerspitzen" und glattem Gegenblech Punktverschweißungen statt, jedoch sehr oft nicht an der gewünschten Stelle, wo die Elektroden angesetzt wa­ ren, sondern z. T. auch an benachbarten "Höckerpunkten", wo - bedingt durch unvermeidliche Maßtoleranzen - zufällig ein niedri­ gerer Stromwiderstand herrschte und der Schweißvorgang daher dort zuerst ausgelöst wurde.

Aufgrund dieser Negativergebnisse wurden nun Versuche an Verbund­ blechen mit unterschiedlich pigmentierten Kunststoffkernschichten durchgeführt. Auch hier stellten sich teilweise negative Resulta­ te ein: verschiedene Metallpulver wie Aluminium, Eisen oder Ma­ gnesium führten zu überhaupt keiner Schweißbarkeit; die Oxid­ schicht auf den Kornoberflächen war zu stark. Andere Metallpulver wie z. B. Edelstahl oder Nickel erfüllten zwar die Zielvorgabe der Schweißbarkeit ohne Nebenschluß, wiesen jedoch andere, be­ reits genannte Nachteile auf.

Anhand der Fig. 1 wird die Erfindung im folgenden näher erläu­ tert.

Die Fig. 1 zeigt ein mögliches Beispiel einer Widerstansschwei­ ßung von Verbundwerkstoffen. Zwischen Schweißelektroden 1 sind die zu verschweißenden Verbundwerkstoffe eingespannt. Die beiden Verbundwerkstoffe sind gleich und bestehen aus je zwei Decklagen Stahlblech 2 und je einer Kunststoffkernschicht 3. Diese Kunst­ stoffkernschicht 3 ist mit Kornfraktionen 4 aus Ferrosiliziumpul­ ver in geeigneten Volumenanteilen angereichert.

Die infolge des Mahlvorgangs gebrochene Kornform des Ferrosili­ ziumpulvers, die sich deutlich von der sphärischen Kornform von Nickelpulver unterscheidet, wirkt sich auf die elektrische Wider­ standsschweißbarkeit nicht nachteilig aus. Die Tatsache, daß die maximale Korngröße der Kornfraktion um bis zu 30% größer ist als die Kernschichtdicke, ist kein Widerspruch. Infolge des Anpreß­ druckes bei der Verbundwerkstoffherstellung 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 und ge­ währleistet eine 100%ige Punktschweißbarkeit der Verbundwerk­ stoffe, und zwar ohne die Nachteile, die für andere Pigmentierun­ gen - wie vorangehend erläutert - bestehen. Die reproduzierbare Schweißpunktgüte steht einem normalen Stahlblech nicht nach. Mit einer Wichte von 2,8 kg/dm³ ist Ferrosilizium sehr leicht, verur­ sacht beim Schweißvorgang keine gesundheitsschädlichen Dämpfe und ist ohne negative Rückwirkung auf die Schweißpunktgüte verarbeit­ bar.

Verbundwerkstoffe der vorgenannten Art können somit problemlos untereinander sowie auch mit Vollblech punktgeschweißt werden.

Claims (3)

1. Widerstandsschweißbarer, dreischichtiger schwingungsdämpfender Verbundwerkstoff, der aus zwei Stahldeckblechen und dazwischen liegender viskoelastischer Kunststoffkernschicht besteht, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkernschicht Ferrosili­ ziumpulver in einer Menge von mindestens 3 Volumenprozenten und in Korngrößen von 70 bis 130% der Dicke der Kunststoff­ schicht in gleichmäßiger Verteilung enthält.

2. Widerstandsschweißbarer dreischichtiger Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkern­ schicht Ferrosiliziumpulver in einer Menge von 5 bis 10 Volu­ menprozent enthält.

3. Widerstandsschweißbarer dreischichtiger Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunst­ stoffkernschicht Ferrosiliziumpulver in Korngrößen von 90 bis 120% der Dicke der Kunststoffschicht enthält.