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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der
U.S.-Patentanmeldung Nr. 13/621 299 , eingereicht am 17. September 2012, nunmehr
U.S.-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2013/001 5 164 , welche eine teilweise Fortsetzung der
U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/768 928 , eingereicht am 28. April 2010, nunmehr
U.S.-Patent mit der Veröffentlichungs-Nr. 8 274 010 , ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Das technische Gebiet dieser Offenlegung betrifft allgemein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken und auf Schweißelektroden, die bei diesen Verfahren verwendet werden.
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HINTERGRUND
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Bei der herkömmlichen Automobilfertigung werden Metallblechwerkstückschichten zusammengefügt, um Karosserieblechteile, wie z. B. die bei Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckeln und Heckklappen verwendeten, herzustellen. In dem Bemühen, das Fahrzeugkarosseriegewicht zu verringern, werden diese Karosserieblechteile zunehmend so konstruiert, dass sie zumindest ein Paar Aluminiumlegierung-Metallblechschichten anstelle eines Stahlblechs umfassen. In der Regel wird als ein Schritt in dem größeren Gesamtfertigungsablauf eine Reihe einzelner Widerstandspunktschweißverbindungen entlang einer überlappenden oder anderen Art von Kontaktgrenzfläche hergestellt, um die Aluminiumlegierung-Metallblechschichten zusammenzufügen. Üblicherweise führen automatisierte Schweißzangen diese Arbeit aus.
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Das Widerstandspunktschweißen ist ein Fügeverfahren, bei dem Wärme durch den Widerstand gegen das Fließen von elektrischem Strom durch die im Fügen befindlichen Metallblechschichten erzeugt wird. In der Regel wird ein Paar gegenüberliegender Schweißelektroden mit gegenüberliegenden Seiten von Metallblechschichten an diametralen gemeinsamen Punkten (wobei gelegentlich jeder Punkt als Kontaktfläche bezeichnet wird) in Kontakt gebracht. Dann wird ein kurzzeitiger elektrischer Strom durch die Metallblechschichten geschickt. Der Widerstand gegenüber dem Fließen von elektrischem Strom durch den Großteil der Metallblechschichten und deren Stoßgrenzfläche erzeugt Wärme an der Stoßgrenzfläche (d. h. der Kontaktgrenzfläche), wodurch ein Schweißbad gebildet wird, welches, wenn der Stromfluss gestoppt wird, zu einer Schweißlinse erstarrt. Die gegenüberliegenden Schweißelektroden klemmen auch die Metallblechschichten unter Druck ein, um einen guten elektrischen Kontakt bereitzustellen und das Schweißbad an der vorgesehenen Schweißstelle einzuschließen.
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Autokarosserieblechteile, die aus Aluminiumlegierung-Metallblechschichten hergestellt sind, können besondere Herausforderungen für den Widerstandspunktschweißschritt mit sich bringen. Zum einen sind Aluminiumlegierungen von Oxidschichten auf ihren äußeren Oberflächen bedeckt, die sowohl durch Prozesse, denen sie bei Arbeiten in der Fabrik (z. B. Tempern, Lösungsglühen, Gießen etc.) unterworfen sind, als auch durch Umwelteinflüsse gebildet werden, was den elektrischen Widerstand an der Kontaktfläche erhöht. Wegen des hohen elektrischen Widerstandes der Oxidschichten und des relativ geringen thermischen und elektrischen Widerstandes der darunter liegenden Aluminiumlegierung ist typischerweise ein hoher Strompegel erforderlich, um ein Schmelzbad an der Stoßgrenzfläche der Aluminiumlegierung-Metallblechschichten zu bilden.
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Während ein hoher Strompegel hilfreich ist, um ein Schmelzbad an dem gewünschten Ort zu bilden, kann er an der Kontaktfläche übermäßige Wärme bilden, was wiederum die metallurgische Reaktion zwischen dem Aluminiumlegierungsmaterial und dem Kupferlegierungsmaterial der zugehörigen Schweißelektrode beschleunigen kann. Diese Reaktion bewirkt, dass sich eine Verunreinigungsschicht aus einer Kupfer-Aluminium-Legierung auf der Schweißelektrode aufbaut oder ansammelt. Wenn er unberührt bleibt, kann der Verunreinigungsaufbau abplatzen und Grübchen in der Schweißelektrode bilden, die schließlich der Schweißeffizienz schaden und das Zurichten der Elektrode erschweren. Diese und andere Herausforderungen verlangen oft andere Überlegungen als beim Punktschweißen von Werkstücken, die aus Stahl hergestellt sind.
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Aus der
US 2005/0000947 A1 ist ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken bekannt. Es wird eine Schweißelektrode mit einer Schweißfläche bereitgestellt. Die Schweißfläche der Schweißelektrode wird so geformt, dass sie einen Krümmungsradius in einem Bereich zwischen einschließlich 20 mm und 35 mm aufweist. Die geformte Schweißfläche wird zu einer Oberflächenrauigkeit in einem Bereich zwischen 5 µm und 50 µm strukturiert. Schließlich werden Widerstandspunktschweißverbindungen unter Verwendung der Schweißelektrode an den Aluminiumlegierungswerkstücken durchgeführt.
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Die
US 2009/0302009 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem die Schweißfläche jedoch zusätzlich nach einer Verwendungszeit durch Entfernen von Material zugerichtet und neu strukturiert wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken zu schaffen, mit dem die nachteiligen Auswirkungen von Verunreinigungen an einer Schweißelektrode vermieden werden, während gleichzeitig die Haltbarkeit der Schweißelektrode verbessert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENLEGUNG
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken kann mehrere Schritte umfassen. In einem Schritt wird eine Schweißelektrode vorgesehen, die eine Schweißfläche umfasst. In einem anderen Schritt wird die Schweißfläche der Schweißelektrode derart geformt, dass sie einen Krümmungsradius aufweist, der in einem Bereich zwischen ungefähr 20 Millimeter (mm) und 40 mm einschließlich der Endwerte zwanzig und vierzig des Bereiches liegt. In einem noch anderen Schritt wird die zuvor geformte Schweißfläche derart strukturiert, dass sie eine Rauigkeitstiefe (Rp) in einem Bereich zwischen ungefähr 2 Mikrometer (µm) und 50 µm einschließlich der Endwerte zwei und fünfzig des Bereiches aufweist. Es wird eine Widerstandspunktschweißung mit der Schweißelektrode durchgeführt, um die Aluminiumlegierungswerkstücke in einem weiteren Schritt zusammenzufügen. Der Schritt wird üblicherweise mehrere Male wiederholt, um mehrere aufeinanderfolgende Sätze von Aluminiumlegierungswerkstücken zu Autokarosserie-Blechteilen zu fügen. In einem anderen Schritt wird die Schweißfläche neu strukturiert, falls notwendig und erwünscht, um die Oberflächenrauigkeit vor einer weiteren Schweißung wiederherzustellen. Und in einem anderen Schritt wird die Schweißfläche, falls notwendig, in einem Ausmaß zugerichtet, welches hinreichend ist, um einen Verunreinigungsaufbau auf der Schweißfläche von den Aluminiumlegierungswerkstücken zu entfernen. Beide in dem Widerstandspunktschweißschritt verwendeten Schweißelektroden können auf die gleiche Art und Weise geformt und zugerichtet werden oder nicht.
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Ein Verfahren zum Erhalten einer Schweißelektrode während ihrer Verwendung beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken kann mehrere Schritte umfassen. In einem Schritt wird eine Schweißfläche der Schweißelektrode derart strukturiert, dass sie eine gewünschte Oberflächenrauigkeit aufweist. In einem anderen Schritt wird die Schweißfläche derart neu strukturiert, dass sie eine gewünschte Oberflächenrauigkeit aufweist, nachdem eine erste Anzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißverbindungen ausgeführt wurde. Und in einem noch anderen Schritt wird die Schweißfläche zugerichtet, um eine gewünschte Materialtiefe der Schweißelektrode zu entfernen, nachdem eine zweite Anzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißverbindungen ausgeführt wurde. Die zweite Anzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißungen ist größer als die erste Anzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißungen. In einem anderen Schritt wird die zugerichtete Schweißfläche zu einer erwünschten Oberflächenrauigkeit strukturiert.
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Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken kann mehrere Schritte umfassen. In einem Schritt wird eine Schweißelektrode vorgesehen, die eine Schweißfläche umfasst. Die Schweißfläche der Schweißelektrode weist einen Krümmungsradius in einem Bereich zwischen ungefähr 20 Millimeter (mm) und 40 mm einschließlich der Endwerte zwanzig und vierzig des Bereiches auf und ist zu einer gewünschten Oberflächenrauigkeit strukturiert. In einem anderen Schritt werden dann mehrere einzelne Widerstandspunktschweißverbindungen in Aluminiumlegierungswerkstücken unter Verwendung der Schweißelektrode gebildet. In jeder einzelnen Widerstandspunktschweißverbindung stellt die zuvor strukturierte Schweißfläche einen Oberflächen/Oberflächen-Anschlag mit einer Schweißstellenoberfläche des entsprechenden Aluminiumlegierungswerkstücks her. Die Rauigkeit der Schweißfläche und ihr Anschlag mit der Schweißstellenoberfläche unter Klemmdruck durchdringen die Oxidschichten an der Schweißstellenoberfläche und erleichtern das Fließen von elektrischem Strom durch das entsprechende Aluminiumlegierungswerkstück während eines Widerstandspunktschweißvorganges. Das Durchdringen der Oxidschichten hilft dabei, eine übermäßige Wärmeentwicklung zu begrenzen, die andernfalls auftreten kann. In einem anderen Schritt wird die Schweißfläche wieder strukturiert, wenn, entweder über die Schweißverbindungsanzahl, eine Oberflächenrauigkeitsmessung, optische Überprüfung oder ein anderes Mittel, festgestellt wird, dass die Schweißfläche ihre Oberflächenrauigkeit im Wesentlichen verloren hat. In einem noch anderen Schritt wird die Schweißfläche in einem Ausmaß zugerichtet, welches hinreichend ist, um einen Verunreinigungsaufbau auf der Schweißfläche von dem Aluminiumlegierungswerkstück zu entfernen. Und in einem anderen Schritt wird die zuvor zugerichtete Schweißfläche zu einer gewünschten Oberflächenrauigkeit strukturiert.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitansicht einer Widerstandspunktschweißanordnung;
- 2 ist eine perspektivische Darstellung einer Schweißelektrode;
- 3 ist eine Querschnittsansicht der Schweißelektrode an den Pfeilen 3-3 in 2;
- 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Schneidwerkzeugs und einer Schweißelektrode;
- 5 ist eine Seitenansicht eines Strukturierungswerkzeugs und von Schweißelektroden;
- 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Paares von Schweißelektroden, das eine Widerstandspunktschweißverbindung auf einem Paar von überlappenden Aluminium-Metallblechschichten ausführt;
- 6A ist eine vergrößerte Ansicht an dem Kreis in 6;
- 7 ist eine Seitenansicht einer Schweißelektrode; und
- 8 ist eine Seitenansicht einer Kugelstrahlapparatur.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die in der Beschreibung im Detail dargelegten Verfahren begegnen mehreren Herausforderungen, denen man begegnet, wenn man eine Widerstandspunktschweißung auf aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Werkstücken durchführt, um Autokarosserie-Blechteile und andere Komponenten zu erzeugen. Die Schweißverfahren stellen auch einige Verbesserungen in dem einhergehenden Schweißprozess bereit. Der Ausdruck Werkstücke, wie hierin verwendet, bezieht sich auf Metallschichten, die Bleche, Strangpressteile, Gussteile und andere Teile umfassen, die aneinander widerstandspunktgeschweißt werden. In den beschriebenen Verfahren ist eine Schweißelektrode derart konstruiert, dass sie eine strukturierte Schweißfläche aufweist, die ein gewölbtes, gerundetes Profil mit einem scharfen Krümmungsradius aufweist, welches für traditionelle Schweißelektroden, die bei Aluminiumlegierungsanwendungen verwendet werden, ziemlich untypisch ist. Die strukturierte Schweißfläche kann auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungswerkstücken vorhandene Oxidschichten durchdringen, was eine effizientere und konzentriertere Zufuhr eines elektrischen Stromes von der Schweißfläche zu den Werkstücken gestattet. Die Schweißelektrode kann neu zugerichtet werden, um das erwünschte gerundete Profil der Schweißfläche zu bewahren und einen Verunreinigungsaufbau zu entfernen, und kann neu zugerichtet werden, um eine Oberflächenrauigkeit zu erzeugen, die beeinträchtigt sein könnte. Das Neuzurichten und Neustrukturieren kann mehrere Male durchgeführt werden, wie es notwendig ist, um die Lebensdauer der Schweißelektrode zu verlängern. All das ist nachfolgend in größerem Detail beschrieben, und wenngleich sie im Zusammenhang mit Autokarosserieblechen beschrieben sind, können die im Detail dargelegten Verfahren in anderen Zusammenhängen wie z. B. Industrieeinrichtungsanwendungen geeignet sein.
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1 zeigt ein Beispiel einer Schweißelektrodenanordnung 10, die zum Widerstandspunktschweißen eines/r ersten Aluminiumlegierungswerkstückes oder Metallblechschicht 12 und eines/r zweiten Aluminiumlegierungswerkstückes oder Metallblechschicht 14 an einer Schweißstelle 16 verwendet werden kann. Die erste und die zweite Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12, 14 sind aus einer Aluminiumlegierung wie z. B. einer Aluminium-Magnesiumlegierung, einer Aluminium-Siliziumlegierung oder einer Aluminium-Magnesium-Siliziumlegierung zusammengesetzt. Ein spezifisches Beispiel umfasst eine 1,0 Millimeter (mm) dicke 5754-O Aluminiumlegierung. Es sind andere Aluminiumlegierungen und Dicken möglich. In einem anderen spezifischen Beispiel kann das Aluminiumlegierungswerkstück eine Dicke von bis zu ungefähr 6,0 mm aufweisen.
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Die Schweißelektrodenanordnung 10 ist üblicherweise ein Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes und umfasst einen ersten Schweißzangenarm 18 und einen zweiten Schweißzangenarm 20, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Punktschweißverbindungen zu bilden, wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist. Der erste Schweißzangenarm 18 weist eine erste Elektrodenhalterung 22 auf, welche eine erste Schweißelektrode 24 festhält, und der zweite Schweißzangenarm 20 weist eine zweite Elektrodenhalterung 26 auf, welche eine zweite Schweißelektrode 28 festhält. Die Schweißelektrode 24, 28 kann aus einer geeigneten Kupferlegierung zusammengesetzt sein. Wenn eine Widerstandspunktschweißung durchgeführt wird, klemmen die Schweißzangenarme 18, 20 ihre jeweilige Schweißelektrode 24, 28 gegen gegenüberliegende Seiten der überlappenden Metallblechschichten 12, 14 an der Schweißstelle 16, wobei einhergehende Schweißflächen in diametraler Ausrichtung zueinander orientiert sind. Die erste Schweißelektrode 24 ist in den übrigen Fig. abgebildet und in dieser Beschreibung wird zu Illustrationszwecken auf diese Bezug genommen, wenngleich die Fig. und die Beschreibung gleichermaßen auch auf die zweite Schweißelektrode 28 angewendet werden können, falls erwünscht.
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Die 2 und 3 zeigen ein Beispiel der ersten Schweißelektrode 24. Die erste Schweißelektrode 24 steht mit einer äußeren Oberfläche 30 der ersten Aluminium-legierung-Metallblechschicht 12 physisch in Kontakt und tauscht elektrischen Strom mit der zweiten Schweißelektrode 28 durch die beiden Metallblechschichten 12, 14 hindurch aus. Die erste Schweißelektrode 24 weist einen allgemein zylindrischen Körper 34 auf, der an einem Ende zum Einsetzen der und Befestigen mit der ersten Elektrodenhalterung 22 mit einer Vertiefung 32 ausgehöhlt ist. Die erste Schweißelektrode 24 weist auch einen kegelstumpfförmigen Teilabschnitt 36, der sich von dem Umfang des Zylinderkörpers 34 fortsetzt, und eine Schweißfläche 38 auf, die sich von dem Umfang des kegelstumpfförmigen Teilabschnitts 36 fortsetzt. Die Schweißfläche 38 ist gewölbt, bevorzugt kugelförmig, und ist der Teilabschnitt der ersten Schweißelektrode 24, der während des Gebrauchs an der äußeren Oberfläche 30 der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 anliegt und in diese eindrückt. Es sollte angemerkt werden, dass die in den 2 und 3 gezeigte und hier beschriebene Schweißelektrode nur eine bevorzugte Ausführungsform ist. Es sind andere Bauformen der ersten Schweißelektrode möglich, die z. B. eine, die den kegelstumpfförmigen Teilabschnitt 36 nicht umfasst, aber stattdessen einen gebogenen Teilabschnitt 36' umfasst, der von dem Körper 34 zu der Schweißfläche 38 übergeht, wie in 7 gezeigt.
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Nunmehr speziell Bezug nehmend auf 3 weist der Zylinderkörper 34 eine Durchmesserabmessung 100 auf, die Schweißfläche 38 weist eine Durchmesserabmessung 200 auf, und die Schweißfläche 38 weist eine konvexe Krümmungsradiusabmessung 300 auf. Die Werte der Abmessungen 100, 200 und 300 können, abhängig von, unter anderen Faktoren, den Fertigungstoleranzen, einer Dickenabmessung der Metallblechschichten 12, 14, der genauen Materialzusammensetzung der Metallblechschichten 12, 14 und der zwischen den Elektroden 24, 28 ausgetauschten Stromdichte variieren. In verschiedenen Beispielen kann die Durchmesserabmessung 100 in einem Bereich zwischen ungefähr 10 mm und 20 mm liegen; die Durchmesserabmessung 200 kann in einem Bereich zwischen ungefähr 5,5 mm und 20 mm liegen; und die Krümmungsradiusabmessung 300 kann in einem Bereich zwischen ungefähr 20 mm und 40 mm liegen oder kann ungefähr 25 mm betragen. Die Bereiche in dieser Beschreibung sind so zu verstehen, dass sie die äußeren und Endgrenzmaße umfassen, sodass der Bereich 20 mm bis 40 mm die Werte zwanzig und vierzig einschließt. Ferner sind in anderen Beispielen andere Bereiche und Werte für die Abmessungen 100, 200 und 300 möglich.
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Die erste Schweißelektrode 24 wird mehreren Schritten unterworfen, um zu helfen, hochwertige Schweißverbindungen sicherzustellen. In einer Ausführungsform wird die erste Schweißelektrode 24, bevor sie in einem Widerstandspunktschweißverfahren verwendet wird, anfänglich geformt, um sie mit einer gewölbten Schweißfläche 38 zu versehen, und danach wird die Schweißfläche 38 strukturiert, um sie mit einer gewünschten Oberflächenrauigkeit zu versehen. Nachdem sie verwendet wurde, um viele Widerstandspunktschweißverbindungen auszuführen, kann die erste Schweißelektrode 24 neu strukturiert werden oder kann zugerichtet oder neu zugerichtet und dann neu strukturiert werden. Das Zurichten wird durchgeführt, um eine Materialtiefe von der Elektrode 24 zu entfernen, die hinreichend ist, um eine Verunreinigung, die sich auf der Schweißfläche 38 aufgebaut hat, abzutragen, und das gerundete Profil der Schweißfläche 38 wiederherzustellen. Die Neustrukturierung wird durchgeführt, um die Schweißfläche 38, die stumpf, abgeflacht, durch Verunreinigung ausgefüllt oder durch Ausbröckeln im Verlauf wiederholter Widerstandspunktschweißverwendungen beschädigt worden sein kann, zu der erwünschten Oberflächenrauigkeit zurück zu strukturieren. In anderen Ausführungsformen können mehr, weniger, oder andere Schritte in dem Verfahren ausgeführt werden; es ist beispielsweise nicht notwendig, dass die erste Schweißelektrode 24 anfänglich geformt wird, wenn sie ursprünglich in einer zum Gebrauch geeigneten Form und Größe geliefert wird.
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Die erste Schweißelektrode 24 wird geformt, um die Elektrode in eine erste gewünschte Form und Struktur zu bringen. In dem Beispiel von 2 umfassen die gewünschte Form und Struktur zumindest den Durchmesser (Abmessung 200) und den Krümmungsradius (Abmessung 300) der Schweißfläche 38; in anderen Beispielen können die gewünschte Form und Struktur andere Formen annehmen. Ein anfängliches Formen wird üblicherweise durchgeführt, wenn eine Elektrode ursprünglich in einer Lager- oder Standardform und -größe geliefert wird, welche zum Gebrauch mit der speziellen Anwendung nicht geeignet ist. Bei Automobilanwendungen werden Elektroden oft ursprünglich als kugelstirnförmige Elektroden mit Durchmessern von z. B. einem halben Zoll, fünf Achtel Zoll, oder drei Viertel Zoll geliefert. Diese Elektroden müssen geformt werden, um den kegelstumpfförmigen Teilabschnitt 36 und die Schweißfläche 38 der ersten Schweißelektrode 24 zu bilden. Die Abmessungen 200 und 300 können in dem Formgebungsschritt zu einem spezifischen Wert gestaltet werden, sodass z. B. die Krümmungsradiusabmessung 300 ungefähr 25 mm beträgt, und die Abmessung 200 wird wie gewünscht festgelegt. Während des Formgebungsschrittes können verschiedene Metallbearbeitungswerkzeuge und -techniken verwendet werden. In einem Beispiel kann ein Schneidwerkzeug verwendet werden, um den kegelstumpfförmigen Teilabschnitt 36, den Durchmesser 200 der Schweißfläche 38 zu einem festgelegten Wert und die Krümmungsradiusabmessung 300 der Schweißfläche 38 zu einem spezifischen Wert zu gestalten. Andere Metallbearbeitungswerkzeuge und -techniken können ein Schleifen oder Schmieden der Schweißfläche umfassen.
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4 zeigt ein Beispiel eines Schneidwerkzeuges 40, das während des Formgebungsschrittes (und des späteren Zurichtungsschrittes, wie nachfolgend beschrieben) verwendet werden kann. Das Schneidwerkzeug 40 weist einen sechseckig geformten Körper 50 mit vier Schneidklingen 52 auf, die in seinem Inneren angeordnet sind. Das Schneidwerkzeug 40 ist in einer größeren Schneidanordnung eingerichtet und wird im Gebrauch in Richtung der ersten Schweißelektrode 24 vorgerückt und wird um seine Mittelachse gedreht. Dies kann Teil eines automatisierten Ablaufes sein. Die rotierenden Schneidklingen 52 nehmen ein Ende der ersten Schweißelektrode 24 auf und schneiden oder scheren eine Materialtiefe von der ersten Schweißelektrode ab, bis die Schweißelektrode 38 mit ihrem gewünschten Durchmesser und Krümmungsradius gebildet ist. Auch der kegelstumpfförmige Teilabschnitt 36 (oder ein anderer Teilabschnitt, der die Schweißfläche 38 umgibt, z. B. ein gebogener Teilabschnitt) wird durch die rotierenden Schneidklingen 52 gebildet. Die genaue Materialtiefe, die während der anfänglichen Formgebung von der ersten Schweißelektrode 24 entfernt wird, ist von der Schnitttiefe abhängig, die zum Neugestalten der Elektrode notwendig ist, um die gewünschte Form zum Punktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken zu erhalten. In einigen Beispielen kann die entfernte Materialtiefe in einem Bereich von ungefähr 25 Mikrometer (µm) bis 2500 µm liegen, wenngleich diese von der ursprünglich gelieferten Elektrode abhängen kann.
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Dann wird die frisch zugerichtete Schweißfläche 38 der ersten Schweißelektrode 24 strukturiert, um eine gewünschte Oberflächenrauigkeit bereitzustellen, die während des Punktschweißens dazu dient, durch Oxidschichten 42 (zu Illustrationszwecken und der Einfachheit halber ist in den 6 und 6A nur eine einzige und vergrößerte Oxidschicht gezeigt) hindurch zu dringen und zu brechen, die auf der äußeren Oberfläche 30 der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 gebildet ist. Diese Fähigkeit der Schweißfläche 38 verbessert das Fließen des elektrischen Stromes zwischen der Schweißfläche und der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 durch Bilden zahlreicher Metall/Metall-Kontakte, welche zulassen, dass der Strom die Oxidschichten 42 umgeht, und reduziert wiederum den elektrischen Gesamtwiderstand der Metallblechschicht, sodass eine geringere Erwärmung und Schädigung an der Schweißfläche wie auch an der äußeren Oberfläche 30 stattfindet. Die Strukturierung kann nur auf dem Teilabschnitt der ersten Schweißelektrode 24 angewendet werden, der in direkten Kontakt mit der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 kommt - in diesem Fall die Schweißfläche 38 oder der Abschnitt der Schweißfläche 38, der mit der Werkstückoberfläche in Kontakt steht - oder sie kann auf einen größeren Bereich angewendet werden, der die Schweißfläche 38 umgibt und umfasst. In dem Strukturierungsschritt können verschiedene Einrichtungen und Techniken eingesetzt werden, die das Lösen und Entfernen der ersten Schweißelektrode 24 von der ersten Elektrodenhalterung 22 beinhalten können, oder das Bewegen des ersten Schweißzangenarmes 18 zu der Einrichtung beinhalten können, oder das Bewegen der Einrichtung zu dem ersten Schweißzangenarm 18 beinhalten können.
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5 zeigt ein Beispiel eines Teils der Einrichtung, der während der Strukturierungs- und Neustrukturierungsschritte verwendet werden kann. Wie gezeigt können hier die Schweißflächen 38 sowohl der ersten als auch der zweiten Schweißelektrode 24, 28 gemeinsam strukturiert werden, auch wenn dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Der Teil der Einrichtung kann ein Strukturierungsrad 44 umfassen, welches ein Schleifmedium 46 an seinem Umfang trägt und um eine Welle 48 rotiert. Sein Umfang ist elastisch verformbar und gibt nach innen nach, wenn es von der ersten und der zweiten Schweißelektrode 24, 28 in Eingriff genommen wird, um die gewölbten Schweißflächen 38 leichter zu strukturieren. Die erste und die zweite Schweißelektrode 24, 28 können selbst gedreht und beeinflusst werden, um sicher zu sein, dass die Schweißflächen 38 vollständig strukturiert werden. Das Schleifmedium 46 kann ein Scotch-Brite™-Medium, das von der 3M Company, St. Paul, Minnesota, U.S.A., geliefert wird, ein Edelstahldrahtmedium oder ein anderes Medium sein.
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In einem anderen Beispiel, das in 8 gezeigt ist, können die Schweißflächen 38 der ersten und der zweiten Schweißelektroden 24, 28 mithilfe eines/r Schleifmittel- oder Kugelstrahlverfahrens und -apparatur 49 strukturiert werden. Wie gezeigt können hier die Schweißflächen 38 der ersten und der zweiten Schweißelektroden 24, 28 gemeinsam strukturiert werden, wenngleich dies nicht erforderlich ist. Die Kugelstrahlapparatur 49 kann einen Behälter 51 mit einem Schleifmittel wie z. B. kleinen Strahlgutpartikeln 56 wie Glaskugeln, Sand oder Stahl in dem Behälter 51 umfassen und kann ferner eine Hochdruckluftdüse 55 umfassen, die an dem Behälter 51 eingerichtet ist. Die Schweißflächen 38 werden den kleinen Strahlgutpartikeln 53 ausgesetzt, wenn die mithilfe der Hochdruckluftdüse 55 im Inneren des Behälters 51 heftig herumgewirbelt werden. Es sind dennoch andere Kugelstrahlverfahren und -apparaturen einschließlich eines/r möglich, bei dem/der kleine Strahlgutpartikel direkt an den Schweißflächen 38 ausgetragen werden.
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Unabhängig von der Einrichtung und Technik kann die resultierende Oberflächenrauigkeit, gemessen von Spitze zu Tal, in einem Bereich zwischen ungefähr 2 µm und 50 µm, oder in einigen Fällen zwischen ungefähr 5 µm und 10 µm liegen. Es wurde festgestellt, dass Oberflächenrauigkeitswerte zwischen diesen Bereichen die Oxidschichten 42 wirksam durchdringen und brechen können und einen elektrischen Stromfluss dadurch erleichtern können. Ohne die Absicht, auf eine spezielle Kausaltheorie beschränkt zu sein, wird derzeit angenommen, dass bei einem Oberflächen/Oberflächen-Anschlag der Schweißfläche 38 und der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 die Oberflächenrauigkeit der Schweißfläche 38 eine/n Vorsprungverformung und -bruch der Oxidschichten 42 bewirkt, wenn ein Kontakt hergestellt wird, um den andernfalls durch die Oxidschichten verursachten erhöhten elektrischen Widerstand entgegenzuwirken oder diesen insgesamt zu verhindern. Man geht auch davon aus, dass die Gesamtwirkung der mikroskopischen Rauigkeitstiefe auch die Aluminiumlegierungsoberfläche verformt, was bewirkt, dass sich die Oxidschichten 42 seitlich dehnen und aufbrechen und es einfacher machen, den elektrischen Strom mit minimiertem elektrischen Widerstand durch die Oxidschichten zu leiten. Dies ist schematisch in der Vergrößerung von 6A gezeigt.
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Eine Oberflächenstruktur 400 der Schweißfläche 38 gestattet es ihren vorstehenden Spitzen, durch die Oxidschichten 42 hindurch zu dringen und einen direkten Kontakt mit der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 unter den Oxidschichten herzustellen. Während sie schematisch gezeigt ist, weist die Oberflächenrauigkeit und Struktur 400 ein Rauigkeitstiefenmaß auf, das typischerweise viel größer ist als eine Dicke der Oxidschichten 42; wie unmittelbar zuvor noch einmal erklärt, kann das Rauigkeitstiefenmaß der Oberflächenstruktur 400 in einem Bereich zwischen ungefähr 2 µm und 50 µm liegen, während die Oxidschichten eine Dicke von ungefähr 0,05 µm aufweisen können. Der durch die Oxidschichten 42 verursachte elektrische Widerstand ist an der Schweißstelle 16 verglichen mit elektrischen Widerstand an anderen Teilabschnitten der Oxidschichten 42 außerhalb der Schweißstelle, welche durch die Oberflächenstruktur 400 nicht durchdrungen und gebrochen werden, grundlegend und im Wesentlichen eliminiert.
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Die relativ hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit einer Aluminiumlegierung und der aus den Oxidschichten 42 resultierende elektrische Widerstand, wenn diese nicht durchdrungen werden können - wenngleich er klein ist - bewirken, dass Wärme an der Oberflächen/Oberflächen-Grenzschicht zwischen der Schweißfläche 38 und der ersten Aluminiumlegierung-Metallblechschicht 12 während des Widerstandspunktschweißvorganges erzeugt wird. Die Wärme ist oft hinreichend, um eine metallurgische Reaktion zwischen dem Aluminiumlegierungsmaterial der Werkstücke und dem Kupferlegierungsmaterial der Schweißfläche 38 zu beschleunigen. Mit der Zeit kann sich eine von der Reaktion herrührende Verunreinigung ansammeln und aufbauen und schließlich auf der Schweißfläche 38 abplatzen oder Grübchen bilden. Der daraus entstehende Verunreinigungsaufbau ist oft härter als die darunter liegende Schweißelektrode. Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurde bisher und herkömmlicherweise eine flachere Schweißfläche mit einem relativ großen Krümmungsradius in einem Bereich zwischen etwa 50 mm und 200 mm zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken verwendet.
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Während größere Krümmungsradien die metallurgische Reaktion zwischen den Aluminium- und dem Kupferlegierungsmaterial verzögern, indem sie den Stromfluss über eine größere Kontaktfläche verteilen, um die Stromdichte zu reduzieren, wird ein schärferer Krümmungsradius wie die in dieser Beschreibung offenbarte Abmessung 300 von 20 mm bis 40 mm dennoch häufig angestrebt und gewünscht. Erstens kann der schärfere Krümmungsradius auf schwerer zu erreichende und unebene, nicht planare Schweißstellen zugreifen, die für einen größeren Krümmungsradius gegebenenfalls physikalisch nicht zugänglich sind. Der schärfere Krümmungsradius der Schweißfläche 38 kann auch effektive Schweißverbindungen an unebenen und nicht planaren Schweißstellen ausführen, während eine mit einem größeren Krümmungsradius zu sperrig sein kann, um das zu tun. Zweitens gestatten die schärferen Krümmungsradien die Ausführung von Punktschweißnähten unter weniger erwünschten Bedingungen, z. B., wenn die Schweißstelle 16 einen kleinen Spalt zwischen den Aluminiumlegierung-Metallblechschichten 12, 14 aufweist oder wenn die Metallblechschichten nicht unbedingt einen perfekt fluchtenden Kontakt zwischen den Flächen an deren Grenzfläche herstellt. Und drittens kann eine Schweißfläche mit einem schärferen Krümmungsradius elektrischen Strom mit einer höheren Stromdichte leiten, um hochwertigere Schweißverbindungen zu produzieren und die Initiierung eines Schweißbades 500 (6) an der Stoßgrenzfläche der Aluminiumlegierung-Metallblechschichten 12, 14 zu verbessern. Es kann auch andere Verfeinerungen geben, die auf einen schärferen Krümmungsradius der Schweißfläche 38 zurückzuführen sind.
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Die hier gezeigte und beschriebene Schweißfläche 38 kann aufgrund ihrer Fähigkeit, die elektrische Widerstandswirkung der Oxidschichten 42 zu minimieren, eine Krümmungsradiusabmessung 300 zwischen 20 mm und 40 mm aufweisen. Insbesondere kann die strukturierte Schweißfläche 38 mit vielen Vorsprüngen die Oxidschichten 42 durchdringen und brechen, wie zuvor beschrieben, um so zu gestatten, dass die Schweißfläche einen schärferen Krümmungsradius aufweist, da den Aluminiumlegierung-Metallblechschichten 12, 14 Strom effizienter zugeführt wird, ohne dass ein relativ größerer Krümmungsradius (d. h. 50 - 200 mm) mit seiner einhergehenden großen Kontaktfläche und geringeren Stromdichte notwendig ist. In einem gewissen Sinn lässt es die der Schweißfläche 38 verliehene Oberflächenstruktur 400 zu, dass die Schweißfläche scharf abgerundet ist, was dabei hilft, die Bildung von effizienten und qualitativen Punktschweißverbindungen zwischen den Aluminiumlegierung-Metallblechschichten 12, 14 zu begünstigen, während eine Rate des Verunreinigungsaufbaus und Abblätterns und der Grübchenbildung erfahren wird, die allgemein mit einer flacheren Schweißfläche verbunden ist.
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Sobald sie strukturiert ist, kann die Schweißelektrode 24 verwendet werden, um viele einzelne Widerstandspunktschweißverbindungen zwischen den gleichen oder verschiedenen Aluminiumlegierung-Metallblechschichten 12, 14 zu bilden. Aber mit der Zeit baut sich eine Verunreinigung auf der Schweißelektrode 24 an der Schweißfläche 38 auf. Der Verunreinigungsaufbau kann die Schweißleistung behindern, und wenn er hinreichend dick und wie oben dargelegt ist, kann er abplatzen und Grübchen auf der Schweißfläche 38 zurücklassen. Es kann daher intermittierend ein Zurichten oder Neuzurichten durchgeführt werden, um den Verunreinigungsaufbau abzuschaben, bevor ein/e Abplatzen und Grübchenbildung stattzufinden beginnt. In einigen Fällen kann sich der Aufbau einer Verunreinigung nach weniger als einhundert einzelnen ausgeführten Widerstandspunktschweißverbindungen, irgendwo zwischen zehn und einhundert Punktschweißverbindungen oder irgendwo zwischen vierzig und einhundert Punktschweißverbindungen ansammeln, und so wird die Schweißfläche 38 innerhalb dieser Schweißverbindungszahlen zugerichtet; ein Zurichten kann z. B. durchgeführt werden, bevor einhundert einzelne Punktschweißverbindungen ausgeführt wurden. Wenngleich ein Verunreinigungsaufbau unter anderen Faktoren von den Materialzusammensetzungen der Schweißelektrode 24 und der Metallblechschicht 12 abhängig sein können, können in anderen Beispielen mehr als einhundert Punktschweißverbindungen ohne Zurichten ausgeführt werden.
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Das Schneidwerkzeug von 4 kann während des Zurichtungsschrittes ebenfalls verwendet werden. Während des Zurichtens wird das Schneidwerkzeug 40 in Richtung der ersten Schweißelektrode 24 vorgerückt und um seine Mittelachse rotiert. Die rotierenden Schneidklingen 52 treffen auf die Schweißfläche 38 und scheren eine Materialtiefe von der ersten Schweißelektrode 24, die hinreichend ist, um jede aufgebaute Verunreinigung wegzunehmen. Die genaue entfernte Materialtiefe kann von der erwarteten Menge des Verunreinigungsaufbaus abhängig sein. In einigen Beispielen kann die von der Schweißfläche 38 entfernte Materialtiefe in einem Bereich zwischen ungefähr 10 µm und 100 µm oder zwischen ungefähr 10 µm und 40 µm liegen. Da der Zurichtungsschritt so eingerichtet werden kann, dass er hinreichend robust ist, um sich zu versichern, dass die Klingen 52 durch den Verunreinigungsaufbau hindurch brechen und somit zu schneiden beginnen, lassen größere Schnitttiefen von ungefähr 25 µm bis 250 µm einen robusteren Prozess zu, wobei eine Schnitttiefe von ungefähr 50 µm bis 150 µm bevorzugt ist. Zurichtungsparameter, die weniger Material entfernen als die obigen, sind gegebenenfalls nicht robust genug, um ein gleichbleibendes Durchbrechen der aufgebauten Verunreinigung sicherzustellen und ein Schneiden zu initiieren; das heißt, die Schneidklingen 52 können nur oben auf dem Aufbau entlanglaufen. Überdies können Schnitttiefen von mehr als 250 µm die Elektrodenhaltbarkeit unnötig verkürzen.
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Bei diesen relativ minimalen Schnitttiefen und Entfernungsraten kann die Schweißelektrode 24 eine größere Anzahl von Zurichtungen überstehen und somit eine größere Anzahl von Punktschweißverbindungen während ihrer Lebensdauer ausführen, wenn sie nur verwendet wird, um Aluminiumlegierungs- an Aluminiumlegierungswerkstücke zu schweißen. Die Verwendung der Schweißelektrode 24 zum Schweißen von Stahl- an Stahlwerkstücke kann ein häufigeres Zurichten erfordern. Wenn z. B. Stahl-an-Stahl- insbesondere Zn-beschichtete Stahl-an-Stahlmetallblechschichten widerstandspunktgeschweißt werden, kann die Schweißelektrode 24 eine Stoßverformung erfahren, bei der die Schweißfläche 38 an dem anfänglichen Kontaktpunkt zwischen der Elektrode und dem Stahl lokal abgeflacht wird, oder kann eine Breitquetschung erfahren, bei der sich Abschnitte der Elektrode verformen und um die Seiten der Schweißfläche 38 herum verdrängt werden. Dies geschieht teilweise aufgrund der Härte von Stahl und der relativ hohen Temperatur an der Schweißfläche 38 (d. h. Stahl schmilzt bei 1 500 °C, während Aluminiumlegierungen bei nur ungefähr 600 °C schmelzen). Die hohe Temperatur kann die Kupferlegierung der Schweißelektrode 24 in einen Zustand der Formbarkeit bringen, und die Härte von Stahl kann sie verformen.
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Die Härte von Stahl kann auch die Oberflächenrauigkeit der Schweißfläche 38 schneller stumpf machen und abflachen als eine weichere Aluminiumlegierung. Das Stumpfwerden oder Abflachen der Oberflächenrauigkeit hat geringfügige Auswirkungen beim Stahl-an-Stahl-Punktschweißen, da Stahl, insbesondere galvanisierter Stahl, nicht den Wirkungen von Oberflächenoxiden ausgesetzt ist, die bei Aluminiumlegierungen regelmäßig auftreten, d. h., es ist nicht notwendig, dass die Struktur durch die Oberflächenoxide hindurch bricht, um die Widerstandspunktschweißung zu verbessern. Außerdem beschleunigen die hohen Temperaturen eine metallurgische Reaktion zwischen dem Kupferlegierungsmaterial der Elektrode und der Zinkbeschichtung auf der Stahloberfläche. Dadurch bildet sich eine Kupfer-Zink-Legierungsschicht auf der Elektrodenoberfläche, die vor dem Schweißen entfernt werden sollte. Das bedeutet unter anderem, dass beim Widerstandspunktschweißen von Stahl-an-Stahl-Werkstücken ein Zurichten typischerweise erforderlich ist, um das Schweißflächenprofil wiederherzustellen und die Legierungsschicht zu entfernen, um die Schweißfläche für weitere Schweißverbindungen vorzubereiten; somit wäre ein alleiniges Strukturieren ohne Zurichten nicht hinreichend, um die Schweißfläche wiederherzustellen.
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Eine Stoßverformung kann in der Regel vermieden werden, wenn die Schweißelektrode 24 nur zum Widerstandspunktschweißverbinden der Aluminiumlegierungs- an Aluminiumlegierungs-Werkstücke miteinander verwendet wird. Dies deshalb, da Aluminiumlegierungen allgemein weicher sind als Stahl und einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen. Die Schweißelektrode 24 als solche würde beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungswerkstücken nicht auf so eine hohe Temperatur schwingen wie es beim Punktschweißen von Stahl- an Stahl-Werkstücken der Fall wäre, und die Schweißelektrode würde in dem Prozess nicht verformbar gemacht werden. Das Vermeiden einer Elektrodenstoßverformung reduziert die Materialtiefe, die während des Zurichtens von der Schweißelektrode 24 entfernt werden muss. Beispielsweise erfordert die Kombination aus Oberflächenbreitquetschung und Bildung einer Kupfer-Zink-Legierungsschicht, welche durch das Schweißen von Stahl-an-Stahlwerkstücke verursacht wird, üblicherweise das Entfernen einer größeren Materialtiefe während des Zurichtens, um das verformte und verdrängte Material um die Schweißfläche herum und die Kupfer-Zink-Legierungsschicht zu entfernen. Bei einer Stoßverformung und Kupfer-Zink-Legierungsbildung könnte die von der Schweißfläche 38 entfernte Materialtiefe größer als ungefähr 100 µm sein und könnte in einem Beispiel in einem Bereich zwischen ungefähr 100 µm und 200 µm liegen. In einem Beispiel kann eine Schweißelektrode mit einem Schweißflächendurchmesser von 12 mm, einem Krümmungsradius von 25 mm und einer zurichtbaren Länge von 6,5 mm, und die nur zum Punktschweißen von Aluminiumlegierungs-an-Aluminiumlegierungswerkstücken verwendet wird, insgesamt zweiundsiebzig Zurichtungen überstehen, bevor sie ausgetauscht werden muss; während dieselbe Elektrode, wenn sie nur zum Punktschweißen von Stahl-an-Stahlwerkstücken verwendet wird, insgesamt nur dreiundvierzig Zurichtungen überstehen kann, bevor sie ausgetauscht werden muss. Somit kann die Schweißelektrode vor einem Austausch ungefähr siebenundsechzig Prozent mehr Zurichtungen überstehen, wenn sie nur in Aluminiumlegierungsanwendungen und nicht in Stahl-an-Stahl-Anwendungen verwendet wird.
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Schließlich, da der Zurichtungsschritt wahrscheinlich die zuvor aufgebrachte Oberflächenrauigkeit wegnehmen wird, kann der Strukturierungsschritt an zumindest der Schweißfläche 38 der ersten Schweißelektrode 24 wieder ausgeführt werden. Der Strukturierungsschritt kann auch ohne den Zurichtungsschritt ausgeführt werden, nachdem eine Anzahl einzelner Widerstandspunktschweißverbindungen an Aluminiumlegierungs-an-Aluminiumlegierungswerkstücken ausgeführt worden ist. Das bedeutet, die Schweißfläche 38 der ersten Schweißelektrode 24 kann mehrmals strukturiert werden, bevor überhaupt ein Zurichten durchgeführt wird. Das Neustrukturieren ist in Fällen geeignet, in denen ein Verunreinigungsaufbau nicht groß genug ist, damit eine Neustrukturierung erforderlich ist, und die Oberflächenstruktur mechanisch verformt wurde und einen gewissen Verunreinigungsaufbau aufweist. Das Neustrukturieren in diesen Fällen würde etwas von dem oder den gesamten Verunreinigungsaufbau ohne die Notwendigkeit eines Zurichtens entfernen und würde die Schweißfläche 38 wiederherstellen, sodass sie in geeigneter Weise durch die Oxidschichten 42 hindurch dringt. In einem Beispiel wird die Schweißfläche 38 neustrukturiert, nachdem ungefähr zehn bis zwanzig einzelne Widerstandspunktschweißverbindungen ausgeführt wurden. Andererseits wird ein Zurichten idealerweise durchgeführt, unmittelbar bevor ein Abplatzen und eine Grübchenbildung der aufgebauten Schicht stattfindet. Ein Neustrukturieren ohne Zurichten verlängert die Lebensdauer der Schweißelektrode.
