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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, des Anspruchs 7 oder des Anspruchs 13 zum Widerstandspunktschweißen eines Dünnstahl-Werkstückes an ein anderes Stahlwerkstück.. Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, des Anspruchs 7 sowie des Anspruchs 13 ist beispielsweise bereits aus der
JP 4 836 173 B2 bekannt. Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften
JP 4 884 958 B2 ,
US 2011 / 0 036 816 A1 und
US 2002 / 0 166 843 A1 verwiesen.
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HINTERGRUND
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Das Widerstandspunktschweißen beruht im Allgemeinen auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stromes durch in Kontakt stehende Metallwerkstücke und über deren Stoß-Grenzfläche hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Schweißprozess durchzuführen, wird typischerweise ein Paar von gegenüberliegenden Schweißelektroden an diametral ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten der Werkstücke an einer vorbestimmten Schweißstelle eingespannt. Dann wird ein kurzzeitiger elektrischer Strom durch die Metallwerkstücke hindurch von einer Elektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber diesem Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an deren Stoß-Grenzfläche (d. h. der Kontakt-Grenzfläche der Metallwerkstücke). Die erzeugte Wärme initiiert ein Schmelzbad, die beim Stoppen des Stromflusses zu einer Schweißlinse erstarrt. Nachdem die Punktschweißnaht gebildet ist, werden die Schweißelektroden von ihren jeweiligen Werkstück-Oberflächen zurückgezogen und der Punktschweißprozess wird an einer anderen Schweißstelle wiederholt.
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Das Widerstandspunktschweißen wurde lange Zeit in einer Anzahl von Industriezweigen verwendet, um zwei oder mehr Stahlwerkstücke zusammenzufügen. Die Automobilindustrie verwendet das Widerstandspunktschweißen z. B. oft, um vorgefertigte blanke oder galvanisierte Stahlblechlagen während der Fertigung eines Fahrzeugkarosseriebleches für unter anderem eine Türe, eine Abdeckhaube, einen Kofferraumdeckel oder eine Heckklappe zusammenzufügen. Es wird typischerweise eine Anzahl von Punktschweißnähten entlang einer Umfangskante der Stahlblechlagen oder einer bestimmten anderen Verbindungsregion gebildet, um sicherzustellen, dass das Karosserieblech strukturell einwandfrei ist. Aufgrund der jüngsten Bemühungen, leichtere Materialien in eine Fahrzeugkarosseriestruktur einzubauen, besteht Interesse an der Verwendung zumindest eines Dünnstahl-Werkstückes, um Fahrzeugkarosseriebleche wie die oben angeführten herzustellen.
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Herkömmliche Punktschweißmethoden für blanken oder galvanisierten Stahl haben typischerweise einen Schweißplan verwendet, bei dem ein Schweißstrom mit einer konstanten Stromstärke kontinuierlich durch die Stahlwerkstücke geleitet wird, um das Schmelzbad zu bilden. Insbesondere würde üblicherweise ein konstanter Schweißstrom, der irgendwo zwischen etwa 4 kA und 20 kA liegt, für eine Zeitspanne von etwa 70 ms bis etwa 700 ms durch die Stahlwerkstücke geleitet werden. Diese Schweißplanparameter können gleichbleibend qualitative Schweißergebnisse produzieren, solange keines der punktgeschweißten Stahlwerkstücke eine Dicke von weniger als etwa 0,8 mm aufweist. Wenn aber eines oder mehrere der Stahlwerkstücke eine Dicke von weniger als 0,8 mm bis hinunter zu etwa 0,6 mm aufweist, beginnen die Aussichten des gleichbleibenden Bildens einer akzeptablen Punktschweißnaht mit herkömmlichen Schweißplänen zu schwinden, was oft erfordert, dass andere ermöglichende Schweißprozeduren wie z. B. unter anderem ein Elektrodenzurichten und versteifte Zangenarme implementiert werden.
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Aufgrund der hohen Teileausschussraten wurde das Punktschweißen von Stahlwerkstücken, von denen eines der Werkstücke eine Dicke von weniger als 0,6 mm aufweist, lange Zeit als nicht realisierbar angesehen, wenn eine herkömmliche Punktschweißeinrichtung mit einem herkömmlichen Schweißplan verwendet wurde, der einen Schweißstrom mit einer konstanten Stromstärke festlegt. Das technische Hauptproblem, das diese Punktschweißmethode verbietet, ist die Schwierigkeit, die Initiierung und das Wachstum des Schmelzbades in solch einem Dünnstahl-Werkstück zu steuern. Tatsächlich kann die schnelle Wärmeentwicklung in einem Stahlwerkstück mit einer Dicke von weniger als 0,6 mm ein Schweißbad produzieren, das schnell eine Eindringung von 100 % erreicht, was zu einem Oberflächenmetallaustrieb und/oder einer Elektrodenverschlechterung führt. Und in Fällen, in denen eine Schweißlinse tatsächlich abgeleitet wird und nicht durch das Dünnstahl-Werkstück brennt - was ein nicht vorhersagbares Ereignis ist - sind die Größe, der Ort und die strukturelle Integrität der Schweißlinse uneinheitlich. Im Licht dieser Schwierigkeiten werden Stahlwerkstücke, die weniger als 0,6 mm dick sind, üblicherweise mithilfe mechanischer Techniken wie z. B. Festklammern oder Stanznieten an andere Werkstücke gefügt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen anzugeben, mit dem sich auch sehr dünne Werkstücke an ein anderes Stahlwerkstück schweißen lassen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1, des Anspruchs 7 oder des Anspruchs 13 auszeichnet.
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Ein Dünnstahl-Werkstück - das eine Dicke an der Schweißstelle bis zu etwa 0,3 mm hinunter aufweist - kann durch die kombinierte Verwendung von spezifischen Punktschweißelektroden und eines pulsierenden Schweißstromes an ein anderes Stahlwerkstück widerstandspunktgeschweißt werden. Das andere Stahlwerkstück weist eine Dicke auf, die gleich oder größer als die des Dünnstahl-Werkstückes ist, was bedeutet, dass es auch ein Dünnstahl sein kann, wobei es in diesem Fall eine Dicke bis etwa 0,3 mm hinunter aufweisen kann oder es dicker, z. B. bis zu einer Dicke von 2,0 mm hinauf, sein kann. Jedes von dem Dünnstahl-Werkstück und dem anderen Stahlwerkstück ist bevorzugt eines von einem blanken Stahlwerkstück, einem galvanisierten Stahlwerkstück oder einem aluminiumbeschichteten Stahlwerkstück. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erstes galvanisiertes Stahlwerkstück mit einer Dicke an der Schweißstelle von etwa 0,4 mm bis etwa 0,6 mm an ein zweites galvanisiertes Stahlwerkstück mit einer Dicke an der Schweißstelle von etwa 0,4 mm bis etwa 2,0 mm widerstandspunktgeschweißt.
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Jede der Punktschweißelektroden weist eine Schweißfläche auf, deren Durchmesser kleiner ist als der einer typischen Stahl-Punktschweißelektrode. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zwei Schweißflächen z. B. einen Durchmesser auf, der in einem Bereich von etwa 3,0 mm bis etwa 4,5 mm liegt. Die Schweißflächen können auch flach sein oder einen Krümmungsradius bis 15 mm hinunter aufweisen. Der pulsierende Schweißstrom, der in Verbindung mit solchen Punktschweißelektroden zu verwenden ist, umfasst überdies zumindest zwei Stufen von elektrischen Stromimpulsen: (1) eine erste Stufe von elektrischen Stromimpulsen (auch als eine Konditionierungsstufe bezeichnet); und (2) eine zweite Stufe von elektrischen Stromimpulsen (auch als eine Schweißbad-Dimensionierungsstufe bezeichnet). Die aufeinanderfolgende Ausführung der ersten und der zweiten Stufe des pulsierenden Schweißstromes lässt zu, dass eine geschmolzene Schweißnaht in einer gesteuerten Weise an der Stoß-Grenzfläche der Stahlwerkstücke initiiert und wachsen gelassen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Stahlwerkstückstapels, der ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück umfasst, und in dem das erste Stahlwerkstück eine Dicke aufweist, die kleiner als etwa 0,6 mm an der Schweißstelle ist, und eines Paares von Punktschweißelektroden;
- 2 ist eine Explosionsansicht des Stahlwerkstückstapels und der Punktschweißelektroden, die in 1 gezeigt sind;
- 3 ist eine partielle Querschnittsansicht der in den 1-2 gezeigten Punktschweißelektrode, welche mit einer Elektroden-Kontaktfläche des ersten Stahlwerkstückes in Kontakt stehen und Druck dagegen anwenden soll;
- 4 ist eine vergrößerte, partielle Querschnittsansicht der in den 3 gezeigten Punktschweißelektrode;
- 5 ist eine partielle Querschnittsansicht der in den 1-2 gezeigten Punktschweißelektrode, welche mit einer Elektroden-Kontaktfläche des zweiten Stahlwerkstückes in Kontakt stehen und Druck dagegen anwenden soll;
- 6 ist ein Graph, der die relevanten Aspekte eines generalisierten Stahl-Punktschweißplanes illustriert, in dem ein pulsierender Schweißstrom durch die Stahlwerkstücke geleitet wird, um ein Schmelzbad zu bilden;
- 7 ist ein Graph, der die relevanten Aspekte eines herkömmlichen Stahl-Punktschweißplanes illustriert, in dem ein Schweißstrom mit konstanter Stromstärke kontinuierlich durch die Stahlwerkstücke geleitet wird, um ein Schmelzbad zu bilden;
- 8 ist eine Querschnittsansicht eines Stahlwerkstückstapels, der ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück umfasst, während des Punktschweißens;
- 9 ist eine Querschnittsansicht des in 8 gezeigten Stahlwerkstückstapels, nachdem das Punktschweißen stattgefunden hat;
- 10 ist ein Graph, der die relevanten Aspekte eines Punktschweißplanes für galvanisierten Stahl gemäß einer Ausführungsform illustriert, in dem ein pulsierender Schweißstrom durch die Stahlwerkstücke geleitet wird, um ein Schmelzbad zu bilden;
- 11 ist ein Graph, der die relevanten Aspekte eines Punktschweißplanes für galvanisierten Stahl gemäß einer anderen Ausführungsform illustriert, in dem ein pulsierender Schweißstrom durch die Stahlwerkstücke geleitet wird, um ein Schmelzbad zu bilden; und
- 12 ist ein Graph, der die relevanten Aspekte eines Punktschweißplanes für galvanisierten Stahl gemäß einer noch anderen Ausführungsform illustriert, in dem ein pulsierender Schweißstrom durch die Stahlwerkstücke geleitet wird, um ein Schmelzbad zu bilden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die 1-2 zeigen allgemein einen Stahlwerkstückstapel 10, der ein erstes galvanisiertes Stahlwerkstück 12 und ein zweites galvanisiertes Stahlwerkstück 14 umfasst. Das erste und das zweite galvanisierte Stahlwerkstück 12, 14 sind zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle 16 zusammengestellt. Jedes der Stahlwerkstücke 12, 14 umfasst bevorzugt eine Weichstahl-Grundschicht 18, 20, die zwischen galvanisierten Zinkbeschichtungen 22 eingeschoben ist. Die Zinkbeschichtungen 22 können durch Schmelztauchen oder galvanisches Verzinken aufgebracht werden, wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt, und können eine Dicke 220 aufweisen, die in einem Bereich von etwa 2 µm bis etwa 16 µm liegt. Es können selbstverständlich andere Arten von Stahl in den Werkstücken 12, 14 als die Stahlgrundschicht 18, 20 vorhanden sein. Einige spezifische Arten von geeigneten Stählen, die neben Weichstahl verwendet werden können, sind hochfester Stahl (AHSS, vom engl. advanced high-strength steel), IF-Stahl (engl. interstitial-free steel), Bake-Hardening-Stahl, hochfester, niedriglegierter HSLA (vom engl. high-strength low alloy)-Stahl, Zweiphasen (DP, vom engl. dual-phase)-Stahl, TRIP (vom engl. transformation induced plasticity)-Stahl, Martensitstahl und pressgehärteter Stahl (PHS, vom engl. press-hardened steel).
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Das erste galvanisierte Stahlwerkstück 12 umfasst eine Stoßfläche 24 und eine Elektroden-Kontaktfläche 26. Ebenso umfasst das zweite galvanisierte Stahlwerkstück 14 eine Stoßfläche 28 und eine Elektroden-Kontaktfläche 30. Wenn sie in dem Stapel 10 zusammengestellt sind, überlappen sich die Stoßflächen 24, 28 des ersten und des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 12, 14 und stehen miteinander in Kontakt, um eine Stoß-Grenzfläche 32 bereitzustellen. Die Elektroden-Kontaktflächen 26, 30 weisen demzufolge voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen.
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Jedes von dem ersten und dem zweiten galvanisierten Stahlwerkstück 12, 14 weist zumindest an der Schweißstelle 16 eine Dicke 120, 140 auf, die durch seine jeweilige Stoßfläche 24, 28 und Elektroden-Kontaktfläche 26, 30 definiert ist. Die Dicke 120 des ersten galvanisierten Stahlwerkstückes liegt in einem Bereich von etwa 0,3 mm bis etwa 1,0 mm und stärker bevorzugt von etwa 0,4 mm bis etwa 0,6 mm. Die Dicke 140 des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 14 ist gleich oder größer als die Dicke 120 des ersten galvanisierten Stahlwerkstückes 12; das heißt, abhängig von der Dicke 120 des ersten galvanisierten Stahlwerkstückes 12 kann die Dicke 140 des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 14 nur etwa 0,3 mm betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke 140 des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 14 in dem Bereich von etwa 0,3 mm bis etwa 2,0 mm und stärker bevorzugt von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm.
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Der Stahlwerkstückstapel 10 ist zwischen einer ersten Punktschweißelektrode 34 und einer zweiten Schweißelektrode 36 angeordnet. Die erste Punktschweißelektrode 34 ist auf einem ersten Zangenarm 38 (teilweise gezeigt) getragen und die zweite Punktschweißelektrode 36 ist auf einem zweiten Zangenarm 40 (teilweise gezeigt) getragen. Jede der Punktschweißelektroden 34, 36 ist aus einem Material gebildet, das geeignete mechanische und elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist. In vielen Fällen sind die erste und die zweite Punktschweißelektrode 34, 36 z. B. aus einer Kupferlegierung gebildet. Während des Punktschweißens, wie nachstehend weiter beschrieben, werden die Punktschweißelektroden 34, 36 mit ihren jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 26, 30 in diametraler axialer Ausrichtung miteinander an der Schweißstelle 16 in Kontakt gebracht und dagegen gespannt. Die von jeder Punktschweißelektrode 34, 36 ausgeübte Spannkraft liegt bevorzugt in einem Bereich von etwa 1 kN bis etwa 4 kN, um einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt herzustellen.
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Nunmehr Bezug nehmend auf die 3-4 umfasst die erste Punktschweißelektrode 34 einen Körper 42, der eine hohle Vertiefung 44 definiert, die an einem Ende 46 zugänglich ist, um das Anbringen an dem ersten Zangenarm 38 zu bewerkstelligen. Das andere Ende 48 des Körpers 42 weist einen Umfang 50 auf, dessen Durchmesser 52 bevorzugt in einem Bereich von etwa 12 mm bis etwa 20 mm liegt. Die erste Punktschweißelektrode 34 umfasst auch eine Schweißfläche 54. Die Schweißfläche 54 weist einen Umfang 56 auf, der nach oben von dem Umfang 50 des Körpers 42 verschoben ist und sich darin befindet, und weist einen Durchmesser 58 auf, der in einem Bereich von etwa 3,0 mm bis etwa 4,5 mm liegt und bevorzugt etwa 3,5 mm beträgt. Fachleute werden erkennen, dass der Umfang 52 des Körpers 42 und der Umfang 56 der Schweißfläche 54 parallel sein können, wie gezeigt, oder versetzt sein können, sodass der Umfang 56 der Schweißfläche 44 in Bezug auf den Umfang 52 des Körpers 42 geneigt ist. Die Schweißfläche 54 weist bevorzugt eine Geometrie auf, die zwischen flach bis zu einem Krümmungsradius von etwa 15 mm hinunter liegt, und weist in vielen Fällen einen Krümmungsradius von etwa 40 mm bis etwa 50 mm auf. Außerdem umfasst die erste Punktschweißelektrode 34 eine Schweißnase 60, die von dem Umfang 50 des Körpers 42 zu dem Umfang 56 der Schweißfläche 54 übergeht. Die Nase 60 kann kugelförmig sein, wie gezeigt, kann aber auch elliptisch, kegelstumpfförmig oder von beliebiger anderer gewünschter Form sein.
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Die zweite Punktschweißelektrode 36, wie in 5 gezeigt, weist die gleichen strukturellen Merkmale auf wie die erste Punktschweißelektrode - nämlich einen Körper 62, eine Schweißfläche 64 und eine Nase 66, die zwischen dem Körper 62 und der Schweißfläche 64 einen Übergang bildet. Die Abmessungen der zweiten Punktschweißelektrode 36 können die gleichen sein wie jene der ersten Punktschweißelektrode 34, unabhängig von der Dicke 140 des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 14. Anders ausgedrückt liegt ein Durchmesser 68 eines Umfanges 70 des Körpers 62 bevorzugt in einem Bereich von etwa 12 mm bis etwa 20 mm, ein Durchmesser 72 eines Umfanges 74 der Schweißfläche 64 beträgt etwa 3,0 mm bis etwa 4,5 mm, bevorzugt etwa 3,5 mm, und die Schweißfläche 64 ist bevorzugt flach oder weist einen Krümmungsradius bis etwa 15 mm hinunter auf und weist stärker bevorzugt einen Krümmungsradius von etwa 40 mm bis etwa 50 mm auf. Die Abmessungen der zweiten Punktschweißelektrode 36 sind die gleichen sein wie jene für die erste Punktschweißelektrode 34, da das dünnste Werkstück in dem Stahlwerkstückstapel 10 die Größe der Elektroden 34, 36 bestimmt.
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Die Durchmesser 58, 72 (und demzufolge die Umfänge 56, 74) der Schweißflächen 54, 64 sind kleiner als die einer Punktschweißelektrode für herkömmlichen Stahl, die typischerweise einen Durchmesser von etwa 6,0 mm aufweist. Die kleiner dimensionierten Schweißflächen 54, 64 der ersten und der zweiten Punktschweißelektrode 34, 36 gestatten es - wenn sie in Verbindung mit dem unten beschriebenen Plan elektrischer Stromimpulse verwendet werden - die Initiierung und das Wachstum eines Schmelzbades an der Stoß-Grenzfläche 32 (siehe 8) zu steuern, sodass eine Schweißlinse mit geeigneter Größe und Eindringung gebildet werden kann. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die kleiner dimensionierte Schweißfläche 54 das Volumen und den Durchmesser des Schmelzbades reduziert, was den Temperaturgradienten in die Elektrode 34 hinein herabsetzt und den Temperaturgradienten in der seitlichen oder Blech-Richtung erhöht. Man geht davon aus, dass diese zwei Temperaturgradienten die Initiierung und das Wachstum des Schmelzbades steuern.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 legt eine Schweißstrom-Leistungsversorgung 76 eine gesteuerte Spannung an die erste und die zweite Schweißelektrode 34, 36 an, um einen pulsierenden Schweißstrom bereitzustellen, der während des Punktschweißens in Übereinstimmung mit einem festgelegten Schweißplan an der Schweißstelle 16 zwischen den zwei Elektroden 34, 36 und durch das erste und das zweite galvanisierte Stahlwerkstück 12, 14 hindurch geleitet wird. Die Schweißstrom-Leistungsversorgung 76 ist bevorzugt eine Mittelfrequenz-Gleichstrom (MFDC, vom engl. medium-frequency DC)-Leistungsversorgung. Eine MFDC-Leistungsversorgung umfasst allgemein einen Transformator und einen Gleichrichter. Der Transformator „transformiert“ eine Eingangs-Wechselspannung von etwa 1000 Hz „herunter“, um einen Wechselstrom mit niedrigerer Spannung und höherer Stromstärke zu erzeugen, der dann dem Gleichrichter zugeführt wird, wo eine Sammlung von Halbleiterdioden den zugeführten Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt. Solch eine Leistungsversorgungskomponente ist im Handel von einer Anzahl von Lieferanten einschließlich ARO Welding Technologies (US-Stammsitze in Chesterfield Township, MI) und Bosch Rexroth (US-Stammsitze in Charlotte, NC) erhältlich.
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Um den Schweißplan auszuführen, ist ein programmierbarer Punktschweißprozess-Controller 78 an die Schweißstrom-Leistungsversorgung 76 angeschlossen, um die Zeitsteuerung und die Stärke des pulsierenden Schweißstromes zu steuern. Der Schweißprozess-Controller 78 ist insbesondere programmiert, um die Schweißstrom-Leistungsversorgung 76 anzuweisen, einen pulsierenden Schweißstrom zum Durchgang zwischen der ersten und der zweiten Punktschweißelektrode 34, 36 zu liefern, der zumindest zwei Stufen von elektrischen Stromimpulsen umfasst: (1) eine erste Stufe von elektrischen Stromimpulsen (auch als eine Konditionierungsstufe bezeichnet); und (2) eine zweite Stufe von elektrischen Stromimpulsen (auch als eine Schweißbad-Dimensionierungsstufe bezeichnet). Jede von der Konditionierungsstufe und der Schweißbad-Dimensionierungsstufe umfasst bevorzugt ein Minimum von zwei elektrischen Stromimpulsen.
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Während der Konditionierungsstufe wird/werden ein oder mehrere Impulse von elektrischem Strom bereitgestellt, um mehrere zwischen den Elektroden 34, 36 befindliche Kontaktwiderstände an der Schweißstelle 16 auf einen niedrigeren, besser vorhersagbaren Wert zu reduzieren und die Elektroden 34, 36 in engen Kontakt mit ihren jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 26, 30 zu positionieren. Die während der Konditionierungsstufe durchgeleiteten Impulse von elektrischem Strom reichen allgemein nicht aus, um ein stabiles Schmelzbad wachsen zu lassen. Aber bis zum Ende der Konditionierungsstufe können die Impulse von elektrischem Strom, und tun es auch, ein kleines Schmelzbad, das nicht größer ist als etwa die Hälfte [engl. have] der festgelegten minimalen Größe für die zwei Werkstücke 12, 14, an der Stoß-Grenzfläche zur nachfolgenden Wachstumsaktivität initiieren. Dann, während der Schweißbad-Dimensionierungsstufe, die wenig später auf die Konditionierungsstufe folgt, wird/werden ein oder mehrere Impulse von elektrischem Strom bereitgestellt, die hinreichend sind, um ein kontrolliertes Wachstum des initiierten Schweißbades bis zu seiner Endgröße in dem durch die Konditionierungsstufe erreichten jüngst stabilisierten und reduzierten Widerstandsbereich fortzusetzen. Ein Schweißprozess-Controller 44, der solch einen Schweißplan ausführen kann, ist im Handel von einer Anzahl von Lieferanten einschließlich Welding Technology Corporation (Farmington Hills, MI) erhältlich.
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Eine detailliertere und graphische Darstellung des pulsierenden Schweißstromes, der verwendet wird, um das Punktschweißen des ersten und des zweiten Stahlwerkstückes 12, 14 zu bewirken, ist allgemein in 6 gezeigt. Wie gezeigt, wird/werden in der Konditionierungsstufe, welche durch die Ziffer 80 dargestellt ist, ein oder mehrere Impulse von elektrischem Strom 82 bereitgestellt, die eine Stromstärke 84 aufweisen, die zu einer anfänglichen Stromstärke 86 ansteigt. Die anfängliche Stromstärke 86 liegt bevorzugt irgendwo zwischen etwa 3 kA und etwa 7,5 kA. Von hier wird die Stromstärke 84 der Impulse 82 über eine Dauer von etwa 1 ms bis etwa 15 ms auf eine Spitzen-Stromstärke 88 hochgefahren, die bevorzugt irgendwo zwischen etwa 6 kA und etwa 8,5 kA liegt. Dann fällt die Stromstärke 84 für eine Dauer von etwa 1 ms bis etwa 3 ms auf unter 1 kA und bevorzugt 0 kA. Es sollte beachtet werden, dass die während der Konditionierungsstufe 80 erzeugten Impulse von elektrischem Strom 82 nicht unbedingt die gleichen sein müssen, wie in 5 gezeigt. Jeder einzelne Impuls 82 kann andere anfängliche und Spitzen-Stromstärken 86, 88 wie auch eine andere Zeitdauer zwischen dem Erreichen dieser Stromstärken 86, 88 aufweisen. Außerdem können in der Konditionierungsstufe 80 auch andere Arten von elektrischen Stromimpulsen, die hochgefahren werden, neben den ausdrücklich abgebildeten enthalten sein. Darüber hinaus kann auch ein elektrischer Stromimpuls, der auf eine für sich konstante Stromstärke ansteigt (d. h., die anfängliche Stromstärke ist die Spitzen-Stromstärke), vorhanden sein, falls erwünscht.
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Die Schweißbad-Dimensionierungsstufe, die durch die Ziffer 90 dargestellt ist, beginnt bevorzugt weniger als 8 ms und am stärksten bevorzugt weniger als 3 ms nach Beendigung der Konditionierungsstufe 80, sodass die erhöhte Kerntemperatur des kleinen initiierten Schmelzbades keine Zeit hat, vollständig in die Elektroden 34, 36 hinein abgeleitet zu werden. In der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 wird/werden ein oder mehrere Impulse von elektrischem Strom 92 bereitgestellt, die eine Stromstärke 94 aufweisen, die zu einer anfänglichen Stromstärke 96 ansteigt. Die anfängliche Stromstärke 96 liegt bevorzugt irgendwo zwischen etwa 5 kA und etwa 8 kA. Dann wird die Stromstärke 94 der Impulse 92 über eine Dauer von etwa 15 ms bis etwa 30 ms auf eine Spitzen-Stromstärke 98 hochgefahren, die bevorzugt irgendwo zwischen etwa 9 kA und etwa 12 kA liegt. Die Stärke und Dauer dieser Impulse 92 sind hinreichend, um das an dem Ende der Konditionierungsstufe 80 initiierte Schmelzbade in einer regelbaren Art und Weise wachsen zu lassen. Tatsächlich fällt die Stromstärke 94 nach Erreichen der Spitzen-Stromstärke 98 für eine Dauer von etwa 1 ms bis etwa 3 ms auf unter 1 kA und bevorzugt 0 kA, um intermittierend zuzulassen, dass die Haut um das Schmelzbad herum kurz abkühlt, ohne das Schweißbad selbst erstarren zu lassen. Schließlich wird die Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 beendet, sobald das Schmelzbad eine geeignete Größe und Eindringung erreicht hat. Es sollte beachtet werden, dass - wie zuvor in Bezug auf die Konditionierungsstufe 80 - die während der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 erzeugten Impulse von elektrischem Strom 92 nicht unbedingt die gleichen sein müssen, und dass andere Arten von elektrischen Stromimpulsen vorhanden sein können, solange sie das regelbare Wachstum eines Schweißbades nicht stören.
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Der pulsierende Schweißstrom, der zum Punktschweißen des ersten galvanisierten Dünnstahl-Werkstückes 12 an das zweite galvanisierte Stahlwerkstück 14 (das ebenfalls ein Dünnstahl sein kann) verwendet wird, und der auch mit anderen Arten von Stahlwerkstücken verwendet werden kann, unterscheidet sich ziemlich von gebräuchlichen Stahl-Punktschweißplänen. Nunmehr Bezug nehmend auf 7 würde z. B. ein gebräuchlicher Punktschweißplan für galvanisierten Stahl typischerweise erfordern, dass ein elektrischer Strom 100 mit konstanter Stromstärke, üblicherweise zwischen 4 kA und 10 kA, über eine Dauer von ungefähr 70 ms bis 700 ms kontinuierlich durch die gerade geschweißten galvanisierten Stahlwerkstücke geleitet wird. Aber diese Art von Schweißstromplan wurde allgemein als ineffektiv betrachtet, wenn zumindest eines der galvanisierten Stahlwerkstücke an der Schweißstelle weniger als 0,6 mm dick ist, und zwar wegen des Unvermögens in dem Zusammenhang des geplanten Schweißstrombefehls, den/das durch das dünne Werkstück hindurch fortschreitende/n schnelle/n Wärmefluss und Schmelzbadwachstum zu steuern.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Punktschweißprozesses in Übereinstimmung mit der obigen Erläuterung ist in den 8-9 für den Stahlwerkstückstapel 10 allgemein gezeigt und illustriert. Anfangs ist der Stahlwerkstückstapel 10 zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 34, 36 angeordnet, sodass die Schweißstelle 16 allgemein mit den gegenüberliegenden Schweißflächen 54, 64 ausgerichtet ist (4 und 5). Der Werkstückstapel 10 kann an solch einen Ort gebracht werden, wie es oft der Fall ist, wenn die Zangenarme 38, 40 Teil eines feststehenden Sockel-Schweißgeräts sind, oder die Zangenarme 38, 40 können über einen Roboter bewegt werden, um die Elektroden 34, 36 in Bezug auf die Schweißstelle 16 anzuordnen. Sobald der Stapel 10 korrekt angeordnet ist, wird die Schweißfläche 54 der ersten Punktschweißelektrode 34 mit der Elektroden-Kontaktfläche 26 des ersten galvanisierten Stahlwerkstückes 12 in Kontakt gebracht und die Schweißfläche 64 der zweiten Punktschweißelektrode 36 wird mit der Elektroden-Kontaktfläche 30 des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 14 in Kontakt gebracht. Die erste und die zweite Schweißelektrode 34, 36 werden an der Schweißstelle 16 zusammengeführt, um die Schweißflächen 54, 64 in diametraler Ausrichtung gegen ihre jeweiligen Werkstück-Oberflächen 26, 30 zu spannen, um einen akzeptablen mechanischen und elektrischen Kontakt zum Punktschweißen herzustellen.
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Dann wird der pulsierende Schweißstrom zwischen den Schweißflächen 54, 64 der ersten und der zweiten Schweißelektrode 34, 36 hindurch geleitet, um ein Schmelzbad 110 an der Stoß-Grenzfläche 32 der Werkstücke 12, 14 an der Schweißstelle 16 zu initiieren und wachsen zu lassen. Der pulsierende Schweißstrom wird von der Schweißstrom-Leistungsversorgung 76 in Übereinstimmung mit den in den programmierbaren Punktschweißprozess-Controller 78 programmierten Anweisungen geliefert. Fachleuten wird bekannt sein, wie die Schweißstrom-Leistungsversorgung 76 mit den Punktschweißelektroden 34, 36 elektrisch zu koppeln ist, und außerdem wie der Punktschweißprozess-Controller 78 einzustellen ist, um ihn an die Leistungsversorgung 76 anzuschließen, sodass der pulsierende Schweißstrom korrekt geliefert werden kann.
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Der pulsierende Schweißstrom, wie oben erläutert und in 6 allgemein illustriert, umfasst die Konditionierungsstufe 80, gefolgt von der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90. Die Rolle der Konditionierungsstufe 80 besteht darin, das Hindurchleiten von elektrischen Stromimpulsen mit niedriger Stromstärke zwischen den Elektroden 34, 36 einzuleiten, ohne einen Austrieb des Stahls zu verursachen, und die Toleranz der Schweißstelle 16 für einen stärkeren Stromfluss allmählich zu verbessern, indem die folgenden Widerstände reduziert werden: die Grenzfläche der ersten Schweißfläche 54 und der Elektroden-Kontaktfläche 26 des ersten galvanisierten Stahlwerkstückes 12, die Stoß-Grenzfläche 32 und die Grenzfläche der zweiten Schweißfläche 64 und der Elektroden-Kontaktfläche 30 des zweiten galvanisierten Stahlwerkstückes 12. Die Rolle der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 besteht darin, dass sie die Komponente des pulsierenden Schweißstromes bildet, welche das Schmelzbad 110 an der Stoß-Grenzfläche 32 in einer kontrollierten Weise tatsächlich wachsen lässt und dimensioniert, ohne dass ein Austrieb auftritt.
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Während der Konditionierungsstufe 80 wird/werden der eine oder die mehreren Impulse von elektrischem Strom 82 an der Schweißstelle 16 nacheinander zwischen den Elektrodenschweißflächen 54, 64 und durch die Werkstücke 12, 14 hindurch geleitet. Die Stromstärke 84 eines jeden der Impulse von elektrischem Strom 82 steigt auf die anfängliche Stromstärke 86 (bevorzugt zwischen etwa 3 kA und etwa 7,5 kA) an. Dieser anfänglich schwache Strom eines jeden Impulses 82 ist ausgelegt, um zuzulassen, dass der Strom durch die Schweißstelle 16 hindurch fließt, ohne einen Austrieb zu induzieren. Dann wird die Stromstärke 84 über eine Dauer von etwa 1 ms bis etwa 15 ms auf ihre Spitzen-Stromstärke 88 (bevorzugt zwischen etwa 6 kA und etwa 8,5 kA) hochgefahren und fällt schließlich auf unter etwa 1 kA. Nachdem ein Impuls 82 unter 1 kA gefallen ist, verstreichen etwa 1 ms bis etwa 3 ms, bis der nächste Impuls von elektrischem Strom 82 beginnt, auf seine anfängliche Stromstärke 86 anzusteigen. Schließlich wird, am Ende der Konditionierungsstufe 80, bevorzugt ein kleines Schmelzbad 110 zum/r anschließenden Wachstum und Dimensionierung während der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 initiiert. Die gesamte Konditionierungsstufe dauert üblicherweise etwa 20 ms bis etwa 50 ms.
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Während der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 wird/werden der eine oder die mehreren Impulse von elektrischem Strom 92 an der Schweißstelle 16 nacheinander zwischen den Elektrodenschweißflächen 54, 64 und durch die Werkstücke 12, 14 hindurch geleitet. Die Stromstärke 94 eines jeden der Impulse von elektrischem Strom 92 steigt auf die anfängliche Stromstärke 96 (bevorzugt zwischen etwa 5 kA und etwa 8 kA) an. Wiederum, wie zuvor, ist der anfänglich schwache Strom eines jeden Impulses 92 ausgelegt, um zuzulassen, dass der Strom durch die Schweißstelle 16 hindurch fließt, ohne einen Austrieb zu induzieren. Dann wird die Stromstärke 94 über eine Dauer von etwa 15 ms bis etwa 30 ms auf ihre Spitzen-Stromstärke 98 (bevorzugt zwischen etwa 9 kA und etwa 12 kA) hochgefahren und fällt schließlich auf unter etwa 1 kA (bevorzugt 0 kA). Es ist geplant, dass der erste Impuls von elektrischem Strom 92 in der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 nicht mehr als 8 ms (bevorzugt nicht mehr als 3 ms) beginnt, nachdem der letzte Impuls von elektrischem Strom 82 in der Konditionierungsstufe 80 unter 1 kA gefallen ist. Und innerhalb der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 beginnt jeder Impuls von elektrischem Strom 92 etwa 1 ms bis etwa 3 ms, nachdem der vorherige Impuls 92 unter 1 kA gefallen ist, auf seine anfängliche Stromstärke 96 anzusteigen. Die gesamte Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 dauert üblicherweise etwa 30 ms bis etwa 60 ms.
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Der eine oder die mehreren elektrischen Stromimpulse 92 in der Schweißbad-Dimensionierungsstufe 90 ist/sind stark genug und dauern genügend lang an, um das Schmelzbad 110 in einer kontrollierten Weise zu erwärmen und wachsen zu lassen. Insbesondere bewirkt das Hochfahren jedes Impulses 92, dass das Schmelzbad 110 wächst, während die Dauer zwischen den elektrischen Stromimpulsen 92 zulässt, dass die Haut des Schmelzbades 110 kurz abkühlt, ohne das Schweißbad 110 selbst erstarren zu lassen, was den Effekt hat, dass die Art von ungezügeltem Wachstum, das in Ansprechen auf einen herkömmlichen Punktschweißplan für galvanisierten Stahl normalerweise auftreten könnte, eingeschränkt wird. Auf diese Weise kann das Eindringen des Schmelzbades 110 in das erste und das zweite galvanisierte Stahlwerkstück 12, 14 geregelt werden, um eine gelungene und gleichbleibend wiederholbare Punktschweißnaht zwischen den zwei Werkstücken 12, 14 zu erzielen.
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Nach dem Stoppen des pulsierenden Schweißstromes erstarrt das Schmelzbad 110 zu einer Schweißlinse 112, wie allgemein in 9 illustriert. Die Schweißlinse 112 kann eine Distanz eindringen, die in einem Bereich von etwa 20 % bis etwa 90 % der Dicke 120 des ersten galvanisierten Stahlwerkstückes 12 von seiner Stoßfläche 24 zu seiner Elektroden-Kontaktfläche 26 hin liegt. Für das zweite galvanisierte Stahlwerkstück 14 kann die Eindringung in dem gleichen Bereich liegen. Bald nach dem Stoppen des pulsierenden Schweißstromes werden die erste und die zweite Schweißelektrode 34, 36 von dem Stahlwerkstückstapel 10 zurückgezogen, um eingedrückte Aufstandsflächen 114, 116 auf ihren jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 26, 30 zu hinterlassen. Dann wird der Stapel 60 an einer anderen Schweißstelle 14 wieder zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 34, 36 angeordnet oder er wird wegbewegt, sodass ein anderer Stahlwerkstückstapel 10 zum Punktschweißen angeordnet werden kann. Dann werden mehr Punktschweißnähte in der gleichen Art und Weise gebildet.
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BEISPIELE
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Die Beispiele demonstrieren die Verwendung eines pulsierenden Schweißstromes zum Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückstapels, der zumindest ein galvanisiertes Dünnstahl-Werkstück umfasst. In dem ersten Beispiel, das 10 entspricht, wurde ein 0,5 mm dickes, schmelzgetauchtes, galvanisiertes Weichstahl-Werkstück an ein anderes 0,5 mm dickes, schmelzgetauchtes, galvanisiertes Weichstahl-Werkstück widerstandsgeschweißt. Die zwei zum Eingreifen in die Stahlwerkstücke verwendeten Punktschweißelektroden waren wassergekühlte Kupferlegierungselektroden, die mit einem entsprechenden Zurichtmesser zugerichtet worden waren, um einen Schweißflächendurchmesser von etwa 3,5 mm und einen Krümmungsradius von etwa 40 mm aufzuweisen. Die zwei Schwei-ßelektroden wurden an einer Schweißstelle mit einer Spannkraft von etwa 1,4 kN gegen entgegengesetzte Seiten des Stapels gespannt.
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Sobald die zwei Punktschweißelektroden in Position waren, wurde an der Schweißstelle ein pulsierender Schweißstrom zwischen den Elektroden und durch den Stapel hindurch geleitet, wie in 10 gezeigt. Die Konditionierungsstufe des pulsierenden Schweißstromes, wie gezeigt, umfasste drei hochgefahrene Impulse von elektrischem Strom. Der erste Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 3,3 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 8 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 7,3 kA hochgefahren. Der zweite Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 5,3 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 6 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 6,3 kA hochgefahren. Und der dritte Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 6,3 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 6 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 7,3 kA hochgefahren. Die Stromstärke des pulsierenden Schweißstromes fiel zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls und dem zweiten und dem dritten Impuls für etwa 1 ms auf etwa 0,5 kA. Die Konditionierungsstufe des pulsierenden Stromes dauerte etwa 30 ms.
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Nach dem dritten Impuls der Konditionierungsstufe fiel die Stromstärke für etwa 1 ms auf 0 kA, wobei nach dieser Zeit die Schweißbad-Dimensionierungsstufe begann. Hier umfasste die Schweißbad-Dimensionierungsstufe, wie gezeigt, drei hochgefahrene Impulse von elektrischem Strom. Die ersten zwei Impulse erreichten anfängliche Stromstärken von etwa 5,8 kA und wurden dann über eine Dauer von etwa 13 ms auf Spitzen-Stromstärken von etwa 10,3 kA hochgefahren, während der dritte Impuls eine anfängliche Stromstärke von etwa 5,8 kA erreichte und dann über eine Dauer von etwa 11 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 10,3 kA hochgefahren wurde. Die Schweißbad-Dimensionierungsstufe des pulsierenden Schweißstromes dauerte etwa 52 ms. Nach dem Beenden des pulsierenden Schweißstromes anschließend an die Schweißbad-Dimensionierungsstufe wurde an der Stoß-Grenzfläche der zwei 0,5 mm dicken, schmelzgetauchten, galvanisierten Weichstahl-Werkstücke eine geeignete Schweißlinse ohne das Vorhandensein eines Austriebes beobachtet.
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Das zweite Beispiel ist dem ersten Beispiel ähnlich, außer dass hier ein 0,5 mm dickes, schmelzgetauchtes, galvanisiertes Weichstahl-Werkstück an ein 1,0 mm dickes, schmelzgetauchtes, galvanisiertes Weichstahl-Werkstück widerstandspunktgeschweißt wurde. Es wurde an der Schweißstelle ein pulsierender Schweißstrom zwischen den Elektroden und durch den Stapel hindurch geleitet, wie in 11 gezeigt. Die Konditionierungsstufe des pulsierenden Schweißstromes umfasste drei Impulse von elektrischem Strom und die Schweißbad-Dimensionierungsstufe umfasste zwei Impulse.
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In der Konditionierungsstufe erreichte der erste Impuls eine anfängliche Stromstärke von etwa 3,9 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 8 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 7,9 kA hochgefahren. Der zweite Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 5,9 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 6 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 6,9 kA hochgefahren. Und der dritte Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 6,9 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 6 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 7,9 kA hochgefahren. Die Stromstärke des pulsierenden Schweißstromes fiel zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls und dem zweiten und dem dritten Impuls für etwa 1 ms auf etwa 0,5 kA. Die Konditionierungsstufe des pulsierenden Stromes dauerte etwa 30 ms.
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Nach dem dritten Impuls der Konditionierungsstufe fiel die Stromstärke des pulsierenden Schweißstromes für etwa 1 ms auf etwa 0 kA, wobei nach dieser Zeit die Schweißbad-Dimensionierungsstufe begann. Hier umfasste die Schweißbad-Dimensionierungsstufe, wie gezeigt, zwei Impulse von elektrischem Strom. Jeder dieser Impulse erreichte anfängliche Stromstärken von etwa 7,4 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 16 ms auf Spitzen-Stromstärken von etwa 10,4 kA hochgefahren. Die Schweißbad-Dimensionierungsstufe des pulsierenden Schweißstromes dauerte etwa 40 ms. Nach dem Beenden des pulsierenden Schweißstromes anschließend an die Schweißbad-Dimensionierungsstufe wurde an der Stoß-Grenzfläche des 0,5 mm dicken, schmelzgetauchten, galvanisierten Weichstahl-Werkstückes und des 1,0 mm dicken, schmelzgetauchten, galvanisierten Weichstahl-Werkstückes eine geeignete Schweißlinse ohne das Vorhandensein eines Austriebes beobachtet.
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Das dritte Beispiel ist dem ersten Beispiel ähnlich, außer dass hier ein 0,5 mm dickes, schmelzgetauchtes, galvanisiertes Weichstahl-Werkstück an ein 1,5 mm dickes, schmelzgetauchtes, galvanisiertes Weichstahl-Werkstück widerstandspunktgeschweißt wurde. Es wurde an der Schweißstelle ein pulsierender Schweißstrom zwischen den Elektroden und durch den Stapel hindurch geleitet, wie in 12 gezeigt. Jede von der Konditionierungsstufe und der Schweißbad-Dimensionierungsstufe des pulsierenden Schweißstromes umfasste drei Impulse von elektrischem Strom.
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In der Konditionierungsstufe erreichte der erste Impuls eine anfängliche Stromstärke von etwa 3,9 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 11 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 7,9 kA hochgefahren. Der zweite Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 5,9 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 9 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 6,9 kA hochgefahren. Und der dritte Impuls erreichte eine anfängliche Stromstärke von etwa 6,9 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 9 ms auf eine Spitzen-Stromstärke von etwa 7,9 kA hochgefahren. Die Stromstärke des pulsierenden Schweißstromes fiel zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls und dem zweiten und dem dritten Impuls für etwa 1 ms auf etwa 0,5 kA. Die Konditionierungsstufe des pulsierenden Stromes dauerte etwa 39 ms.
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Nach dem dritten Impuls der Konditionierungsstufe fiel die Stromstärke des pulsierenden Schweißstromes für etwa 1 ms auf 0 kA, wobei nach dieser Zeit die Schweißbad-Dimensionierungsstufe begann. Hier umfasste die Schweißbad-Dimensionierungsstufe, wie gezeigt, drei Impulse von elektrischem Strom. Jeder dieser Impulse erreichte anfängliche Stromstärken von etwa 7,4 kA und wurde dann über eine Dauer von etwa 11 ms auf Spitzen-Stromstärken von etwa 10,4 kA hochgefahren. Die Schweißbad-Dimensionierungsstufe des pulsierenden Schweißstromes dauerte etwa 45 ms. Nach dem Beenden des pulsierenden Schweißstromes anschließend an die Schweißbad-Dimensionierungsstufe wurde an der Stoß-Grenzfläche des 0,5 mm dicken, schmelzgetauchten, galvanisierten Weichstahl-Werkstückes und des 1,5 mm dicken, schmelzgetauchten, galvanisierten Weichstahl-Werkstückes eine geeignete Schweißlinse ohne das Vorhandensein eines Austriebes beobachtet.
