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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Anfertigen einer Widerstandspunktschweißelektrode und insbesondere Verfahren zur Anwendung eines Oberflächenreliefbildes oder -musters auf der Schweißfläche einer Punktschweißelektrode, sodass ein funktionelles und ästhetisch ansprechendes Muster wiederholt auf Oberflächen von punktgeschweißten Werkstücken übertragen werden kann. In vielen Ausführungsformen bezieht sich diese Erfindung auf das Bilden solcher Bilder auf der Schweißfläche, wobei das Bild nicht aus Merkmalen mit einer kreisförmigen Symmetrie besteht, die um die Schweißfläche des Elektrodenkörpers herum zentriert sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Widerstandspunktschweißen ist ein Fügeprozess, der in vielen Fertigungsprozessen zum Herstellen von Kraftfahrzeugkarosserien und anderen Fahrzeugelementen verwendet wird. Er wird zum Beispiel verwendet, um innere und äußere Metallabschlussbleche (wie z. B. Türen, Kofferraumdeckel, Heckklappen und Hauben) durch eine Reihe von Punktschweißstellen an geeigneten Stellen auf den Werkstücken aneinanderzuschweißen. Das Blechmaterial kann eine Stahllegierung, ein verzinkter Stahl, eine Aluminiumlegierung, eine Magnesiumlegierung oder dergleichen sein. Anordnungen von solchen Werkstücken werden hintereinander zu einer Schweißzelle (oder -station) gebracht, wo die Punktschweißstellen durch ein oder mehrere Paar/e von gegenüberliegenden, wassergekühlten, Kupferlegierungselektroden mit hoher Leitfähigkeit, die von einem Schweißapparat getragen sind, hergestellt werden. Der Schweißapparat kann roboterisiert und gesteuert sein, um einander zugewandte Punktschweißelektroden gegen gegenüberliegende Seiten der Werkstücke zu klemmen und zu pressen und einen kurzzeitigen Schweißstrom durch die Elektroden und Werkstücke freizusetzen, um eine Schweißstelle zwischen einander zugewandten Flächen der Metallstücke zu bilden. Der Schweißapparat öffnet die Elektroden und rückt sie (oder die Werkstücke) schrittweise vor, um eine Reihe solcher Schweißstellen herzustellen.
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Die Elektroden sind typischerweise runde Zylinder mit einem in dem Schweißapparat gehaltenen Ende (dem Schaftende), während das andere Ende eine Schweißfläche bildet, die in elektrischen Kontakt mit einer Oberfläche eines Werkstückes gepresst wird. Die Elektroden werden allgemein axial mit ihren Schweißflächen in gegenüberliegender einander zugewandter Beziehung ausgerichtet gehalten. Es ist vorgesehen, dass diese Flächen mit Oberflächen eines oder mehrerer Metallwerkstücke in Kontakt stehen und eine geeignete Schweißlinse produzieren.
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Die Elektrodenflächen zum Punktschweißen von Stahl wurden mit einer kugelförmigen gewölbten Form gebildet, die allgemein konzentrisch mit der zylindrischen Achse des runden Elektrodenkörpers sein kann. Die gewölbte Form kann maschinell mit einer Abflachung zum Kontaktieren einer Stahloberfläche gearbeitet sein. Allerdings hinterlassen diese Schweißflächen einen scharfen Abdruck auf der Stahloberfläche, der eine übermäßige Vertiefung und/oder einen unansehnlichen ungleichmäßigen Winkel mit der Werkstückoberfläche aufweisen kann. Solch eine Elektrodenform neigt dazu, eine Blechdeformation um die Schweißstelle herum zu verursachen, die unschön ist. Auch kann ein Metallausstoß aus der Blechoberfläche zu ungewünschten Fadenkristallen oder Fingern aus Metall führen, die von der Blechoberfläche vorstehen.
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Drei gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldungen, die dem Anmelder dieser Erfindung erteilt wurden, offenbaren Schweißelektroden, die Punktschweißstellen hoher Qualität in Metallwerkstücken bilden. Außer dass sie Punktschweißstellen hoher Qualität in Stahlwerkstücken, verzinkten Stahlwerkstücken, Aluminiumlegierungswerkstücken oder Magnesiumwerkstücken bilden, bilden diese Elektroden an der Schweißstelle ein erkennbares Bild, ein ansprechendes Bild. Betrachter solcher geschweißter Gegenstände haben diese Bilder als solche mit einer hohen wahrgenommenen Qualität betrachtet; d. h., sie zeigen ein optisches Erscheinungsbild, das als hohe Qualität anzeigend interpretiert wird. Diese Anmeldungen sind die am 28. September 2006 eingereichte Nr.
11/536 001 (Veröffentlichungs-Nr.
US 2008 / 0 078 749 A1 ) mit dem Titel „Welding Electrode with Contoured Face“; die am 15. Oktober 2008 eingereichte Nr.
12/251 636 mit dem Titel „Weld Electrode for Attractive Weld Appearance“; und die am 21. Januar 2009 eingereichte Nr.
12/356 613 mit dem Titel „Weld Electrode for Attractive Weld Appearance“. Diese Anmeldungen offenbaren die Verwendung von Vorsprüngen oder Eindringungen in der rund (Draufsicht) geformten Elektrodenfläche. Wenn das geformte Ende der Elektrode mit dem Werkstück in Eingriff gelangt und der Stromfluss beginnt, bilden die Vorsprungs- und/oder Eindringungsformen auf der Fläche komplementäre (umgekehrte) sichtbare und erkennbare Schweißstellenbilder in der durch Schweißwärme erweichten Oberfläche zumindest eines mit den Elektroden in Kontakt stehenden Blechs. Diese Bilder werden maschinell oder anderweitig in der/den Fläche/n einer oder beider der zusammenwirkenden Kupferlegierungselektroden gebildet. Gelegentlich liegen die Bilder in der Form von erhöhten oder vertieften Ringen oder anderen geometrischen Formen in der Oberfläche der Elektrodenfläche vor, die konzentrisch mit der Mitte der Schweißfläche und üblicherweise konzentrisch mit der Achse der Elektrode sind. Andere sichtbare Bilder können in der Form von Buchstaben oder Symbolen vorliegen, die nicht kreisförmig sind, oder, falls sie kreisförmig sind, sind sie nicht auf die Achse der runden Schweißfläche zentriert. Solche Bilder werden bevorzugt an Schweißstellen in sichtbaren Flächen von Herstellungsgegenständen wie z. B. Kraftfahrzeugkarosserieoberflächen gebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anfertigen einer Widerstandspunktschweißelektrode anzugeben, durch welches die Formgebung oder Bildung von anfänglichen Elektrodenschweißflächen (die mit einem Werkstück in Kontakt stehenden Flächen der Elektroden) und deren Ausbesserung, nachdem Schweißbetriebe Schweißflächenbilder erodiert haben, erleichtert werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es sind Verfahren zum schnellen und effizienten Einführen spezifischer Muster auf Schweißflächenoberflächen von Widerstandsschweißelektroden vorgesehen. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet betonten die Verwendung von rotierenden Zurichtklingen zum Produzieren von achsensymmetrischen Mustern, die auf Schweißelektrodenflächen zentriert sind. Allerdings können im Allgemeinen komplexere Muster für spezielle Anwendungen gewünscht sein. Es kann einer Schweißzelle eine zusätzliche Ausrüstung hinzugefügt sein, um die Oberflächen von Elektroden zu erneuern, sodass sie gewünschte Muster aufweisen. Die Elektroden können auch prozessentkoppelt ausgebildet werden, wenngleich dies nicht bevorzugt ist, da der/die durch Schweißprozesse verursachte relativ rasche Verschleiß/Abbau eine prozessgekoppelte Oberflächenerneuerung besser dazu geeignet machen würde, um eine Produktionsunterbrechung zu minimieren und eine kontinuierliche Produktion in einer Massenproduktionsumgebung zu ermöglichen. Wenn z. B. eine Elektrode in einer Schweißzange verwendet wird, die in einer Schweißrobotermaschine enthalten ist, kann der Roboterarm verwendet werden, um eine gebrauchte Elektrode mit einer erodierten Elektrodenschweißfläche innerhalb der Schweißzelle zu einem Schweißflächenerneuerungsbetrieb zu bewegen, wie hierin offenbart.
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Es ist ein Mittel vorgesehen, um durch selektives Entfernen oder Verdrängen von Material, um eine Oberfläche zu erzeugen, die zumindest einen erhöhten und/oder vertieften Bereich beinhaltet, eine Form oder Struktur auf die Schweißfläche (hierin auch als die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche bezeichnet) einer Widerstandspunktschweißelektrode zu übertragen. Dieser Bereich ist derart geformt, dass die Elektrodenschweißfläche ein ansprechendes erkennbares Umkehrbild an der Schweißstelle eines Herstellungsgegenstandes bildet. Der vertiefte und/oder erhöhte Bereich kann von einheitlicher oder variabler Tiefe sein. Ferner können der Umriss oder die Grenzen des vertieften Bereiches zufällig oder unregelmäßig sein oder können regelmäßige geometrische Elemente umfassen, die in der Lage sind, wenn sie als Ganzes betrachtet werden, eine erkennbare Form zu bilden.
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Der Schweißflächenbildbereich kann allgemein eine gewisse Symmetrie besitzen, allerdings werden es typischerweise keine Merkmale von kreisförmiger Symmetrie sein, die entweder um die Mitte der Schweißfläche oder die Mitte der Achse der Elektrode herum zentriert sind. Es kann bevorzugt sein, solche kreisförmigen Bilder durch einfache Rotation eines geformten Werkzeuges um eine Symmetrieachse zu bilden.
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Ein Verfahren gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dient zum Anfertigen einer Widerstandspunktschweißelektrode, um ein sichtbares Bild auf eine Schweißung zu übertragen, wobei die Elektrode einen allgemein runden zylindrischen Körper mit einer Zylinderachse und einer mit einem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche an einem Ende des Körpers aufweist. Das Verfahren umfasst, dass die Elektrode geformt wird, um eine allgemein flache oder konvex geformte, mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche auf der Elektrode zu erzeugen. Weiterhin umfasst das Verfahren, dass selektiv Abschnitte der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche der Elektrode mit bilderzeugenden Merkmalen, die andere als zum Erzeugen von Merkmalen mit einer kreisförmigen Symmetrie sind, die um die Schweißfläche des Elektrodenkörpers herum zentriert sind, geformt werden, wobei die bilderzeugenden Merkmale Vorsprünge und/oder Eindringungen aufweisen, die sich über oder unter benachbarten Bereichen der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche erstrecken, sodass die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche ein sichtbares Umkehrbild in einer Schweißung, die auf einem Metallwerkstück gebildet wird, aufzwingt. Die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche der Elektrode wird mithilfe eines abrasiven Mittels selektiv geformt, und der Zutritt des abrasiven Mittels zu der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche der Elektrode wird eingeschränkt, indem zwischen dem abrasiven Mittel und einem Teil der Elektrodenoberfläche eine Maske eingefügt wird, wobei die Maske zumindest eine Öffnung aufweist, die einen Zutritt des abrasiven Mittels zu der Elektrode ermöglicht.
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Ein Verfahren gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform dient zum Anfertigen einer Widerstandspunktschweißelektrode, um ein sichtbares Bild auf eine Schweißung zu übertragen, wobei die Elektrode einen allgemein runden zylindrischen Körper mit einer Zylinderachse und einer mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche an einem Ende des Körpers aufweist, das Ende der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche des Elektrodenkörpers einen oder mehrere Bildflächenbereich/e, der/die eine Umkehrform eines gewünschten Bildes abbildet/en, und Bildgrenzenbereiche aufweist, welche die Bildflächenbereiche umgeben, wobei die Bildflächenbereiche und Bildgrenzenbereiche allgemein koaxial mit der Zylinderachse angeordnet sind und aus Elektrodenzusammensetzungen mit unterschiedlichen Verschleißfestigkeiten gebildet sind, die auf einen abrasiven Prozess zum Entfernen von Elektrodenmaterial bei der Ausbildung von bilderzeugenden Merkmalen auf der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche verschieden ansprechen. Das Verfahren umfasst, dass die Elektrode geformt wird, um eine geeignet geformte mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche auf der Elektrode zu erzeugen. Weiterhin umfasst das Verfahren, dass die Bildflächenbereiche und Bildgrenzenbereiche gleichzeitig einem Materialentfernungsprozess mithilfe eines abrasiven Mittels ausgesetzt werden, der selektiv Elektrodenmaterial entfernt, wobei die Bildflächenbereiche und Bildgrenzenbereiche aufgrund der unterschiedlichen Verschleißfestigkeiten der Elektrodenzusammensetzungen ungleichmäßig abgetragen werden, so dass der Materialentfernungsprozess in den Bildflächenbereichen Vorsprünge und/oder Eindringungen hinterlässt, die sich über oder unter benachbarten Bildgrenzenbereichen der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche erstrecken, sodass die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche geeignet ist, um ein sichtbares Umkehrbild in einer Schweißung, die auf einem Metallwerkstück gebildet wird, aufzuzwingen.
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Ein Verfahren gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform dient zum Anfertigen einer Widerstandspunktschweißelektrode, um ein sichtbares Bild auf eine Schweißung zu übertragen, wobei die Elektrode einen allgemein runden zylindrischen Körper mit einer Zylinderachse und einer mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche an einem Ende des Körpers aufweist, das Ende der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche des Elektrodenkörpers einen oder mehrere Bildflächenbereich/e, der/die eine Umkehrform eines gewünschten Bildes abbildet/en, und Bildgrenzenbereiche aufweist, welche die Bildflächenbereiche umgeben, wobei die Bildflächenbereiche und Bildgrenzenbereiche allgemein koaxial mit der Zylinderachse angeordnet sind und aus Elektrodenzusammensetzungen mit unterschiedlichen chemischen oder elektrochemischen Reaktivitäten gebildet sind, die auf einen chemischen oder elektrochemischen Prozess zum Entfernen von Elektrodenmaterial bei der Ausbildung von bilderzeugenden Merkmalen auf der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche verschieden ansprechen. Das Verfahren umfasst, dass die Elektrode geformt wird, um eine geeignet geformte mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche auf der Elektrode zu erzeugen. Weiterhin umfasst das Verfahren, dass die Bildflächenbereiche und Bildgrenzenbereiche ) gleichzeitig einem Materialentfernungsprozess mithilfe einer chemischen oder elektrochemischen Reaktion ausgesetzt werden, der selektiv Elektrodenmaterial entfernt, wobei die Bildflächenbereiche und Bildgrenzenbereiche aufgrund der unterschiedlichen chemischen oder elektrochemischen Reaktivitäten der Elektrodenzusammensetzungen ungleichmäßig abgetragen werden, so dass der Materialentfernungsprozess in den Bildflächenbereichen Vorsprünge und/oder Eindringungen hinterlässt, die sich über oder unter benachbarten Bildgrenzenbereichen der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche erstrecken, sodass die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche geeignet ist, um ein sichtbares Umkehrbild in einer Schweißung, die auf einem Metallwerkstück gebildet wird, aufzuzwingen.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus den folgenden Beschreibungen von Ausführungsformen der Methode der Erfindung offensichtlich sein.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht einen Elektrodenkappenzurichtungsschritt auf einer typischen Widerstandspunktschweißelektrodenfläche, wenn sie in einem Schweißapparat befestigt ist.
- 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche der Elektrode durch die Einwirkung von selektiv maskierten abrasiven Partikeln selektiv abgetragen wird. 2 veranschaulicht auch ein versetztes und rotiertes Bild einer Maske, um selektiv zuzulassen, dass abrasive Partikel die Fläche der Elektrode formen.
- 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche der Elektrode durch eine rotierende Drahtbürste in einem Muster, das durch eine zwischen der Bürste und der Elektrode angeordnete Maske bestimmt ist, abgetragen wird.
- 4 veranschaulicht eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche der Elektrode durch Elektroerosion geformt ist.
- 5 veranschaulicht eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche der Elektrode durch Stauchschmieden geformt ist.
- 6A veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche einer Verbundstoffelektrode durch die Einwirkung von abrasiven Partikeln geformt ist. 6B veranschaulicht in ebener Draufsicht eine Elektrodenfläche mit einem Bild, das entweder als ein vertieftes Gebiet oder ein erhöhtes Gebiet durch die abrasiven Partikeln von 6A gebildet ist.
- 7A veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche einer Verbundstoffelektrode durch chemisches Lösen geformt ist. 7B veranschaulicht in ebener Draufsicht eine Elektrodenfläche mit einem Bild, das entweder als ein vertieftes Gebiet oder ein erhöhtes Gebiet durch den chemischen Löseprozess von 7A gebildet ist.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Eine Punktschweißelektrode besitzt das allgemeine Aussehen eines Hohlzylinders, der an einem Ende offen und an dem anderen geschlossen ist. Im Betrieb ist das offene Ende mithilfe eines Außen- oder Innenkegels entfernbar an dem Schweißapparat befestigt und das geschlossene Ende weist eine spezifische geometrische Form auf, um es geeignet zum Ausführen eines Punktschweißprozesses auf Blechmetallwerkstücken zu machen. Während der wiederholten Schweißbetriebe ist die ursprüngliche geometrische Form einem Abbau entweder durch Erosion und Werkstückanhaftung oder -Verformung oder beidem unterworfen, was deren Geometrie schrittweise verändert und sie weniger geeignet für ihren vorgesehen Zweck macht.
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Historisch wurde die Schweißfläche nicht geformt, um ein Bild in der geschweißten Fläche zu bilden, und dieser Abbau in der Schweißelektrodenleistung wurde durch Modifizieren der Schweißbedingungen kompensiert. Zum Schweißen von Stahl oder verzinktem Stahl erforderte dies üblicherweise das Erhöhen oder „schrittweise Hochfahren“ des Stromes mit zunehmender Anzahl von Schweißstellen in Übereinstimmung mit einem gewissen vorbestimmten Schema. Es bestand die Absicht, eine Stromdichte und Wärmezufuhr aufrechtzuerhalten, um zumindest eine minimale Schweißlinsengröße zu gewährleisten. Irgendwann war der Elektrodenabbau jedoch bis zu einem Punkt fortgeschritten, wo entweder eine weitere Modifikation des Schweißschemas unpraktikabel war oder die Elektrodenschweißfläche zu groß für die verfügbare Schweißoberfläche geworden war, und die Schweißelektrode wurde verworfen und durch eine neue Elektrode ersetzt. Zum Aluminiumschweißen wurde der Elektrodenabbau kompensiert, indem modifizierte Parameter, d. h. sehr kurze Schweißzeiten und Elektroden mit kleinen Schweißflächen verwendet wurden.
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Eine neuere Methode bestand darin, Schweißprozessänderungen zu minimieren, indem das „schrittweise Hochfahren“ der Schweißelektrode eingeschränkt und diese maschinell bearbeitet wurde, „Kappenzurichtung“, um ihre ursprüngliche Geometrie wiederherzustellen, nachdem ein relativ minimaler Abbau stattgefunden hat. Diese Herangehensweise des Zurichtens ist bei der Steuerung der Wärmezufuhr zu der Schweißstelle über die Lebensdauer der Elektrode; bei der Steuerung der Schweißflächengröße zur Schweißstellenanordnung in begrenzten Gebieten; bei der Reduzierung des elektrischen Bedarfes; bei der Verlängerung der Lebensdauer der Elektrode; und bei der Aufrechterhaltung gleich bleibender Schweißstellen hoher Qualität viel effektiver.
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Das Kappenzurichten erfolgt üblicherweise häufig, nach ungefähr 200 Schweißstellen, um die Menge von Material zu minimieren, das bei jedem Zurichten entfernt wird. Da es sich um einen Maschinenbearbeitungsprozess handelt, der an einem relativ einfach maschinell bearbeiteten Werkstück ausgeführt wird, werden herkömmliche Werkzeugmaterialien wie z. B. beschichtete Werkzeugstähle (z. B. die Güten S7 oder M2) verwendet oder es werden Hartmetalleinsätze verwendet und das Zurichten wird mit der in ihrer Arbeitskonfiguration montierten Elektrode durchgeführt. Die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche oder Schweißfläche der meisten üblicherweise verwendeten Elektroden ist achsensymmetrisch und besitzt eine Form wie z. B. eine Kuppel, eine flache Fläche oder eine allgemein konvexe Gestalt. Somit kann das Zurichten mithilfe eines einzigen Werkzeuges oder mehrerer Werkzeuge in einer gemeinsamen Halterung erfolgen, die in einer festen Beziehung zueinander montiert sind. Oft umfasst die Werkzeugform nur eine Hälfte der gewünschten Elektrodengeometrie, und die Elektrodengeometrie wird durch Rotation des/der Werkzeuge/s um eine Achse erzeugt, die mit der Mittellinie der Elektrode ausgerichtet ist. In anderen Fällen kann das Werkzeug drei oder vier Schneidflächen oder -klingen umfassen, die zusammenwirkend die Elektrodenfläche formen, wie in 1 veranschaulicht.
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1 veranschaulicht einen Abschnitt eines Schweißapparates 10, der einen Schaft 12 mit einem verjüngten Ende 14 umfasst, an dem eine Schweißelektrode 16 über einen Reibungseingriff zwischen einem zusammenpassenden Kegel 18 an der inneren Fläche der Schweißkappe und einem Kegel 14 an dem Schaft 12 entfernbar angebracht ist. In dieser Ausführungsform kann die Schweißelektrode aus einer Kupferlegierung mit hoher Leitfähigkeit gebildet sein. Eine Zurichtschneidwerkzeuganordnung 20, die willkürlich mit vier Schneidkanten 22 gezeigt ist, ist in einer Vorrichtung (nicht gezeigt) getragen, die in der Lage ist, die Schneidlasten zu tragen, während sie die Anordnung 20 um die Achse C, z. B. in der durch den Pfeil 24 angezeigten Richtung, rotiert. Es ist zu beachten, dass die Achse C eine Achse mit einer achsensymmetrischen Symmetrie ist, die durch die Mittellinie des Schaftes und der Schweißelektrode verläuft. Das Zusammenspiel der Schweißelektrode 16 mit den rotierenden Schneidwerkzeugklingen wird die gewünschte gerundete mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche 26 an der Elektrode 16 erzeugen. In dieser Ausführungsform wurde auf dieser Bearbeitungsstufe die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche 26 noch nicht ausgebildet, um ein gewünschtes Bild in die durch die Elektrode 16 kontaktierte Werkstückoberfläche zu übertragen.
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1 soll illustrativ und nicht einschränkend sein. In vielen Fällen wird die zugerichtete Schweißfläche nicht entlang der Zylinderachse verlaufen, sondern wird wohl überlegt relativ zu der Zylinderachse geneigt sein, um einen besseren Teilzugang während des Schweißens vorzusehen. Auch können die Werkstückkontaktflächen, die als kuppelartig geformt gezeigt sind, andere rotationssymmetrische Formen annehmen. Zum Beispiel sind die mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Flächen typischerweise flach für Stahl und konvex für Aluminium.
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Diese Erfindung soll die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Elektrodenfläche weiter modifizieren, nachdem sie, entweder durch den Hersteller oder durch Zurichten während des Betriebes, um die ursprüngliche Herstellerform aufrechtzuerhalten, zu einer gewünschten Größe und allgemeinen Form geformt wurde.
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Diese Erfindung ist auf jedes beliebige Werkstück anwendbar, ist jedoch speziell für die Nicht-Eisenwerkstücke auf Aluminium- und Magnesiumbasis geeignet, die nunmehr auf Grund ihrer reduzierten Dichten (relativ zu Stahl) im Kraftfahrzeugkarosseriebau größere Bedeutung erlangen.
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Das Widerstandspunktschweißen wird immer ausgeführt, um die Bildung eines Schmelzbades aus der Werkstücklegierung auf den Oberflächen der Werkstücke in Kontakt mit der Schweißkappe zu verhindern. Allerdings werden die Oberflächen der Werkstücke direkt unter den Elektroden auf eine erhöhte Temperatur erwärmt und sind infolgedessen plastischer als sie es bei Raumtemperatur oder bei etwa 25 °C wären. Somit können die Werkstückoberflächen unter dem durch die Elektroden auf die Schweißzone angewendeten Druck eingedrückt werden und die Form der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche der Elektrode annehmen.
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Allerdings wird die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche der Elektrode durch die Zurichten in regelmäßigen Intervallen nachgeformt werden und somit wird es notwendig sein, jegliche dekorative oder funktionelle Gestalt, die anfänglich auf die Elektroden übertragen wurde, nach dem Kappenzurichten neu zu schaffen. Ferner sollte für eine maximale Effizienz die Prozedur, der bei der Neuschaffung der auf die Elektroden übertragenen Form gefolgt wird, nicht deren Herausnehmen aus dem Schweißapparat erfordern, sondern sollte wie beim Kappenzurichten in situ durchgeführt werden.
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In einer ersten Ausführungsform, die in den 2 und 3 gezeigt ist, wird ein abrasiver Materialentfernungsprozess verwendet, um eine 1 µm bis 30 µm Ra raue Oberfläche zu erzeugen. Solch ein in 2 gezeigter abrasiver Entfernungsprozess ist Sandstrahlen, das ausgeführt werden kann, indem ein Sand- oder Stahlsandmittel verwendet wird, das mittels einer Gasströmung mit hohem Druck (50 bis 150 Pfund pro Quadratzoll) gegen die Oberfläche getrieben wird. Alternativ kann die Kappe mit Edelstahldraht- oder mit Siliziumkarbid imprägnierten Nylonbürsten gebürstet werden, wie in 3 gezeigt. Unabhängig von dem gewählten abrasiven Entfernungsprozess ist eine Maske mit einer geeignet geformten Öffnung zwischen dem abrasiven Mittel und der Schweißkappe eingefügt. Die Maske wird den Zutritt des abrasiven Materials zu der Kappe teilweise einschränken und dadurch sicherstellen, dass der abrasive Prozess die gewünschte Form an der Schweißkappe schaffen wird. Solch eine Maske wird üblicherweise verwendet, wenn die Schweißfläche eine gleichmäßige Zusammensetzung über die Fläche hinweg für den abrasiven Entfernungsprozesses aufweist.
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In 2 ist die Elektrode 16 einem Strom von abrasiven Partikeln 34 ausgesetzt, die aus einer Düse 36 ausgestoßen werden. Die Maske 32, die eine Öffnung 38 beinhaltet, welche beispielhaft als ein erkennbares Fahrzeugfirmenlogo gezeigt ist, ist zwischen der Düse 36 und der Elektrode 16 eingefügt, sodass nur ein Teil der Partikel 34 durch die Öffnung 38 gelangt und auf der Elektrode 16 aufprallt. Die restlichen Partikel treffen auf der Maske auf und werden als Partikel 34' abgelenkt, ohne auf die Elektrode 16 zu treffen. Die kinetische Energie der aufprallenden Partikel 34 wird zu einer Verformung der Schweißkappe auf ihrer mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche 26 führen und kann in Abhängigkeit von sowohl deren Energie als auch deren Aufprallwinkel auch die Oberfläche abtragen. Somit wird ein verformter und möglicherweise abgetragener und vertiefter Bereich, der der Form der Maskenöffnung 38 entspricht, auf der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche 26 der Elektrode geschaffen. Selbstverständlich kann die Maske erdacht sein, um eine Abtragung eines Bereichs einer Elektrodenfläche zu bewirken, die einen gewünschten Bilderzeugungsbereich umgibt, sodass sich das Bild auf der Fläche axial über die abgetragenen Bereiche hinaus erstreckt.
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Im Fall des Bürstens wird eine ähnliche Konfiguration, wie in 3 gezeigt verwendet. Wiederum wird eine Maske 32 mit einer Öffnung (nicht gezeigt) zwischen der Elektrode 16 und einem abrasiven Mittel eingefügt, wobei hier Drähte oder ähnliche abrasive Vorrichtungen 42, die an einem Rad 40 befestigt sind, mit der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche 26 nur in jenen Bereichen in Kontakt stehen, wo Öffnungen in der Maske 32 vorhanden sind. Somit verformen und entfernen die Drähte oder Ähnliches auf Grund der abrasiven Wirkung, die aus der Rotation des Rades 40 um die Achse 44 in der Richtung 46 resultiert, Material von der Elektrode 16. Das Rad 40 kann in einer festen Orientierung relativ zu der Elektrode gehalten werden, um ein Muster aus orientierten Kratzern zu erzeugen, oder das Rad 40 kann, wie durch den Doppelpfeil 48 angezeigt, körperlich gedreht oder oszilliert werden, um ein zufälligeres Rillenmuster herzustellen.
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Da sowohl Sandstrahlen als auch Drahtbürsten allgemeine Materialverformungs- und/oder Entfernungsprozesse sind, wird die festgelegte Form oder das gewünschte Muster der Oberfläche 26 nur durch selektive Maskierung der Elektrode hergestellt, sodass das abrasive Material nur Zutritt zu einem Fragment der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche hat. Auch werden diese Prozesse auch allgemein relativ flache Merkmale schaffen und somit wird der in dem Werkstück hinterlassene Abdruck weniger sichtbar sein, nachdem das Fahrzeug lackiert wurde. Infolgedessen können diese Prozesse besser geeignet sein, um Muster auf Werkstücke zu übertragen, die nach dem Schweißen entweder unlackiert bleiben oder die eine viel dünnere Lackschicht aufweisen, als für eine herkömmliche Lackiermethode typisch ist.
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Gemäß 4, die eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt, wird das Muster mittels Elektroerosion übertragen, die in der Lage ist, Muster mit beträchtlichen Differenzen in der Höhe auf der Elektrode auszubilden. Ein Überblick des Prozesses ist bei 70 angegeben. Durch Eintauchen der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche der Elektrode in ein Bad aus einem zirkulierenden (Zirkulationssystem nicht gezeigt) flüssigen Dielektrikum 78, z. B. Kerosin, und Anwenden eines ansteigenden elektrischen Potentials, das durch eine Leistungsversorgung 80 erzeugt wird, zwischen der Elektrode und einem Werkzeug wird eine elektrische Entladung 74 resultieren. Diese Entladung wird einen Abschnitt der Elektrode 16 und einen Abschnitt des Werkzeuges 72 verdampfen. Allerdings wird durch Herstellen des Werkzeuges aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt und somit einer hohen Verdampfungstemperatur, wie z. B. Graphit oder einem beliebigen der hoch schmelzenden Metalle, der Großteil der Verdampfung an der Elektrode auf Kupferbasis mit dem niedrigeren Schmelzpunkt stattfinden. Dies wird kleine Partikel aus kondensierter Legierung 75 auf Kupferbasis in den Elektrolyten einbringen. Die Entladungen werden zuerst an den Bereichen mit dem kleinsten Abstand zwischen Werkzeug und Elektrode stattfinden und die Wiederholung dieses Prozesses wird ein zunehmendes Volumen an Elektrodenoberfläche entfernen und das Gegenteil der Werkzeugform des Werkzeuges 72 schrittweise auf die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche 26 der Kappe 16 übertragen. Die Effizienz des Prozesses ist nur von den relativen Schmelzpunkten des Werkzeuges und des Werkstückes und nicht von deren Härten abhängig. Demzufolge ist Graphit ein sehr geeignetes Werkzeugmaterial, da es im Gegensatz zu hoch schmelzenden Metallen durch herkömmliche Schneidwerkzeuge ohne weiteres nachgeformt werden kann. Wenn somit ein Graphitwerkzeug 72 bis zu dem Punkt verschleißt, an dem die Wiedergabetreue des Bildes, das es erzeugt, unzureichend ist, kann die gewünschte Form problemlos wiederhergestellt werden.
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Gemäß 5, die eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform veranschaulicht, kann das gewünschte Muster durch einen mechanischen Stauchschmiedeprozess, der aus dem Kontakt mit einer Pressform resultiert, auf die Elektrode übertragen werden, wie bei 60 gezeigt. Die Elektrode 16 wird durch den Kontakt mit einem starren Werkzeug 62 verformt. Somit wird die inverse Geometrie der Kontaktfläche 66 des Werkzeuges 62 auf die mit dem Werkstück in Kontakt stehende Fläche 26 der Elektrode 16 übertragen. Der erforderliche Kontaktdruck P zwischen dem Werkzeug und der Elektrode kann durch den Schweißapparat erzeugt werden oder außen erzeugt werden, z. B. indem ein kompaktes Werkzeug elektromagnetisch oder explosionsartig elektromagnetisch beschleunigt wird, um auf die Elektrode (nicht gezeigt) zu treffen.
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Die Elektrode 16 wird bevorzugt auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um ihre Fließspannung vor dem Stauchschmieden zu reduzieren, z. B. durch Einwirkung eines Werkzeuges 62, das durch Heizelemente 64 erwärmt wurde. Alternativ kann die Elektrode durch das Fließen von elektrischem Strom durch die Elektrode erwärmt werden. Eine geeignete Stauchschmiedetemperatur wird legierungsspezifisch sein, wird jedoch allgemein im Bereich von etwa 350 °C bis etwa 750 °C liegen.
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Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen wird der Stauchschmiedeprozess Material verdrängen, anstatt es zu entfernen. Somit kann es in Abhängigkeit von der Art des Musters wünschenswert sein, zuerst das Muster auf der verschlissenen Elektrode aufzuprägen und dann den Zurichtungsschritt auszuführen, um Material zu entfernen, das nach oben, von der Elektrodenschweißfläche weg, verdrängt wird. Dies wird für tiefe Muster von höchster Bedeutung sein, die einen großen Anteil der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Elektrodenfläche bedecken, was ein großes Volumen an verdrängtem Metall zur Folge haben wird.
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Die bisher beschriebenen Prozesse und Prozeduren sind für Schweißelektroden mit homogener Zusammensetzung und Mikrostruktur geeignet. Oft sind solche Elektroden aus Hochkupferlegierungen aus im Wesentlichen reinem Kupfer gebildet, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Hochkupferlegierungen für Schweißelektroden stehen jedoch in verschiedenen Güten zur Verfügung, welche rein beispielhaft einige umfassen, in denen das Kupfer geringe Mengen an Zirkonium; oder Chrom; oder eine Kombination aus Chrom und Zirkonium; oder Beryllium; oder eine Dispersion aus Aluminiumoxid enthält. Diese Zusätze werden gemacht, um die Elektrode insbesondere bei hohen Temperaturen zu härten. Es ist daher möglich, z. B. indem ein Block mit einem Kern aus einer Legierung und einer Schale oder eine Hülle aus einer zweiten Legierung gemeinsam stranggepresst werden, eine Verbundstoffelektrode zu produzieren. Ferner kann durch Formen des Kerns auf eine gewünschte Weise die Gestalt des Kerns auf der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche freigelegt werden, indem der Eigenschaftsunterschied genutzt wird, der mit der Legierung oder dem Zusammensetzungsunterschied einhergeht. Somit wird in einer vierten Ausführungsform die gewünschte Gestalt der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Elektrodenfläche gebildet, indem: zuerst eine Verbundstoffelektrode hergestellt wird, deren Kern eine vorbestimmte Gestalt oder Form aufweist; die Verbundstoffelektrode einer Material entfernenden Umgebung ausgesetzt wird; und die verschiedenen Ansprechverhalten des Kerns und der Hülle auf die Material entfernende Umgebung genutzt werden, um eine geeignet konturierte mit dem Werkstück in Kontakt stehende Elektrodenoberfläche zu erreichen.
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Man betrachte zum Beispiel die in 6A gezeigte Elektrodenkonfiguration, die eine Verbundstoffelektrode 16' zeigt, welche einen Kern 19 aus dispersionsverstärktem Kupfer mit einer Hülle 17 mit einer etwas geringeren Verschleißfestigkeit aus einer Zirkonium enthaltenden Kupferlegierung umfasst. Wenn sie durch Drahtbürsten oder, wie gezeigt, Sandstrahlen mithilfe von abrasiven Partikeln 34, die aus der Düse 36 ausgestoßen werden, abgetragen werden, werden die Hüllen- 17 und Kernbereiche 19 dieser Verbundstoffelektrode ungleichmäßig abgetragen werden. In diesem Beispiel wird sich die Hülle 17 in Bezug auf den Kern 19 zurückziehen und die Form des Kerns 19 wird prominenter als Vorsprung in der achtstrahligen Sternform zurückbleiben, die in der Draufsicht von 6B veranschaulicht ist. Somit kann sich in Abhängigkeit von der relativen Verschleißfestigkeit der Hüllen- 17 und Kernbereiche 19 der Schweißfläche, der Kern 19 über das Schweißflächenniveau der Hülle 17 erstrecken oder unter dasselbe vertieft sein. Jedenfalls werden die abgetragenen Kern- 19 und Hüllenabschnitte 17 der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Verbundstoffoberfläche 26' zusammenwirken, um ein Sternbild in einer Blechmetallschweißoberfläche zu bilden, die mithilfe der Elektrode 16' gebildet wird.
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In 7A ist eine ähnliche Situation gezeigt, wobei jedoch hier der Unterschied zwischen dem Kern 19 und der Hülle 17, der genutzt wird, ihre chemische Reaktivität ist. Somit wird das Unterziehen der Verbundstoffelektrode 16' einer chemischen oder elektrochemischen Reaktion, z. B. indem sie in eine chemische Lösung 90 getaucht wird, zu verschiedenen chemischen Raten der chemischen Entfernung der Kern- 19 und Hüllenbereiche 17 führen. Dieser Unterschied in der chemischen Reaktivität der Elektrodenmaterialien gestattet die Bildung eines erhöhten oder vertieften sternförmigen Kerns 19, wie in der Draufsicht von 7B veranschaulicht. Wiederum werden die chemisch erodierten Kern- 19 und Hüllenabschnitte 17 der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Verbundstoffoberfläche 26' zusammenwirken, um ein vorstehendes oder vertieftes Sternbild in einer mithilfe der Elektrode 16' gebildeten Blechmetallschweißstellenoberfläche zu bilden.
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Es wurden Methoden veranschaulicht, in denen die Schweißfläche einer Widerstandsschweißelektrode geformt wurde, um ein mehrstrahliges Sternbild und ein Schleifenbild zu bilden. Die Methoden werden als geeignet betrachtet, um viele verschiedene sichtbare Bilder auf einer Schweißung zu bilden, die einem Betrachter ein wahrgenommenes Qualitätsempfinden bieten. Wenn es gewünscht ist, ein oder mehrere kreisförmige Bilder auf der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Fläche einer Elektrode zu bilden, kann es praktikabler sein, das Bild mithilfe eines Schneidwerkzeuges zu bilden und dieses relativ zu der Mittelachse der Elektrode und gegen die Schweißfläche zu rotieren. Wenn das gewünschte Bild jedoch keine solche kreisförmige Symmetrie aufweist, können die Formgebungsmethoden mit Effizienz und Effektivität verwendet werden.
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Die Erfindung wurde ausführlich dargelegt, wie sie in einer Erstanwendung praktisch umgesetzt würde, allerdings sind Elektroden, wie beschrieben wurde, Verschleiß und Erosion unterworfen und die auf die Elektroden übertragenen Bilder werden bei wiederholter Verwendung an Wiedergabetreue verlieren. Dieser Verlust von Wiedergabetreue kann manuell durch einen Bediener oder Kontrolleur oder alternativ durch ein automatisiertes auf Beobachtung basierende Kontrollsysteme detektiert werden, die Kameras, Bilddigitalisierer und Merkmal identifizierende Computersysteme wie z. B. jene beinhalten, die Fachleuten gut bekannt sind. Sobald ein Schwellenmangel an Bildwiedergabetreue detektiert wird, kann die Elektrode wiederaufbereitet werden, wie oben beschrieben. Solch eine Wiederaufbereitung kann in einer Schweißzelle erfolgen, wobei die Elektrode an der Schweißmaschine oder dem Schweißroboter montiert ist. In diesem Fall würde ein geeignetes Zuricht- und bildübertragendes Mittel zu der Schweißmaschine gebracht werden oder, stärker bevorzugt, würde die Motorcharakteristik der Schweißmaschine verwendet werden, um die Elektrode zu einer nahegelegenen Zuricht- und Bildübertragungsstation zu transportieren. Alternativ könnten die Elektrodenkappen von der Schweißmaschine entfernt, zu einer entfernten Zuricht- und Bildübertragungsstation transportiert, entsprechend wiederhergestellt, zu der Schweißmaschine zurückgebracht und wieder an der Schweißmaschine installiert werden. Es wird einzusehen sein, dass das nahegelegene Positionieren der Zuricht- und Bildübertragungsstationstauglichkeit, um eine Bearbeitung der Elektrode zu ermöglichen, während sie an der Schweißmaschine montiert ist, den Produktionsstillstand minimieren wird und bei Anwendungen mit hohen Produktionsraten bevorzugt ist.
