DE102014111961A1

DE102014111961A1 - Widerstandspunktschweissen von Stahl- und Aluminiumwerkstücken unter Verwendung einer Elektrodenschweissflächen-Abdeckung

Info

Publication number: DE102014111961A1
Application number: DE102014111961.4A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; Blair E. Carlson; Michael J. Karagoulis
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: DE102014111961B4

Abstract

Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes („Aluminium”-Werkstückes) aneinander umfasst mehrere Schritte. Ein Schritt beinhaltet, dass ein Werkstückstapel mit einem Stahlwerkstück und einem Aluminiumwerkstück vorgesehen wird. Ein anderer Schritt beinhaltet, dass eine Abdeckung über einer Schweißfläche einer Schweißelektrode befestigt wird. Die Abdeckung ist aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt, der größer ist als ein elektrischer Widerstand eines Materials der Schweißelektrode. Ein noch anderer Schritt beinhaltet, dass mehrere einzelne Widerstandspunktschweißungen an dem Werkstückstapel ausgeführt werden. Die Abdeckung liegt an dem Aluminiumwerkstück an, während die einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt werden. Und ein weiterer Schritt beinhaltet, dass die Abdeckung von der Schweißelektrode entfernt wird, nachdem die einzelnen Punktschweißungen ausgeführt sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nummer 61/869 358, eingereicht am 23. August 2013, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren das Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes aneinander.
HINTERGRUND
Widerstandspunktschweißen ist ein Prozess; der von einer Anzahl von Industrien verwendet wird, um zwei oder mehr Metallwerkstücke aneinander zu fügen. Die Automobilindustrie verwendet beispielsweise oft das Widerstandspunktschweißen, um vorgefertigte Metallwerkstücke während der Herstellung unter anderem einer Tür, einer Haube, eines Kofferraumdeckels oder einer Heckklappe eines Fahrzeugs aneinander zu fügen. Es werden in der Regel mehrere einzelne Widerstandspunktschweißungen entlang eines Umfanges der Metallwerkstücke oder an einem anderen Bindungsgebiet gebildet, um sicherzustellen, dass das Fahrzeugteil strukturell einwandfrei ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte, ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke – z. B. Stahl an Stahl und Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung – aneinander zu fügen, hat der Wunsch, leichtgewichtigere Materialien in eine Fahrzeugkarosseriestruktur einzubauen, das Interesse am Fügen von Stahlwerkstücken an Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstücke (hierin der Kürze wegen nachfolgend kollektiv als „Aluminium”-Werkstücke bezeichnet) durch Widerstandspunktschweißen mit sich gebracht.
Das Widerstandspunktschweißen im Allgemeinen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stromes durch in Kontakt stehende Metallwerkstücke und über ihre Stoß-Grenzfläche hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Widerstandsschweißprozess durchzuführen, wird ein Paar entgegengesetzter Punktschweißelektroden typischerweise an ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten der Werkstücke an einer vorbestimmten Schweißstelle eingespannt. Dann wird ein elektrischer Strom durch die Werkstücke von einer Schweißelektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Werkstücke und an ihrer Stoß-Grenzfläche. Wenn die Metallwerkstücke, die geschweißt werden, ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungswerkstück sind, initiiert die an der Stoß-Grenzfläche erzeugte Wärme ein Schweißschmelzbad in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück. Dieses Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad benetzt die benachbarte Fläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach dem Unterbrechen des Stromflusses zu einer Schweißverbindung.
Das Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminiumwerkstückes aneinander bringt bestimmte Herausforderungen mit sich. Diese Metalle weisen einige deutliche Unterschiede auf, welche dazu neigen, den Schweißprozess zu unterbrechen. Zum einen weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt und einen relativ hohen thermischen und elektrischen Widerstand auf, während Aluminium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und einen relativ niedrigen thermischen und elektrischen Widerstand aufweist. Infolge dieser Unterschiede schmilzt Aluminium schneller und bei einer viel niedrigeren Temperatur als Stahl während des Stromflusses. Aluminium kühlt auch schneller ab als Stahl, nachdem der Stromfluss geendet hat. Das Steuern des Wärmegleichgewichts zwischen den zwei Metallen, sodass ein Schweißschmelzbad in dem Aluminiumwerkstück schnell initiiert und zum Erstarren gebracht werden kann, kann daher eine Herausforderung darstellen. Es hat sich z. B. gezeigt, dass beim schnellen Abkühlen Fehler in dem Aluminiumwerkstück wie z. B. Schrumpfporosität oder Schrumpfen, Gasporosität, Oxidrückstandsbildung und Mikrorissbildung in Richtung der Stoß-Grenzfläche gezogen werden und dazu neigen, sich dort anzusammeln. Außerdem fördert ein anhaltendes Erhitzen während des Widerstandspunktschweißens – insbesondere eine erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück aufgrund seines relativ höheren Widerstandes – das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Schichten an der Stoß-Grenzfläche. Es hat sich gezeigt, dass diese beiden Bedingungen die Abschälfestigkeit der letztlich gebildeten Schweißverbindung herabsetzen und die Gesamtintegrität der hergestellten Fügestelle zwischen den Werkstücken schwächen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es ist ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück („Aluminium”-Werkstück) umfasst. Das Verfahren verwendet eine Abdeckung, die an einer Schweißelektrode auf der Aluminiumseite des Stapels befestigt wird, aber davon entfernbar ist. Die Abdeckung ist aus einem Metallmaterial mit einem höheren elektrischen Widerstand als jenem der Schweißelektrode, an der sie befestigt wird, hergestellt, und erzeugt demzufolge mehr Wärme auf der Aluminiumseite als es andernfalls ohne die Abdeckung der Fall wäre, wenn Punktschweißungen ausgeführt werden. Beispiele von Materialien für die Abdeckung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Stahl, Edelstahl, Molybdän, Wolfram, Niob und Legierungen daraus.
Die erhöhte Wärme, die auf die Abdeckung zurückzuführen ist, gleicht die zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück entwickelte Wärme besser aus, und es wurde festgestellt, dass sie das Erstarrungsverhalten einer in dem Aluminiumwerkstück produzierten Schweißverbindung in einer Weise verändert, welche die unerwünschte Akkumulierung von Fehlern an und entlang einer Stoß-Grenzfläche des Stapels ausschließt. Sie kann auch dabei helfen, die Erwärmung in dem Stahlwerkstück zu verringern, was wiederum das Wachstum der spröden intermetallischen Fe-Al-Schichten an der Stoß-Grenzfläche verringert. Die Gesamtfestigkeit und -integrität der hergestellten Schweißverbindung zwischen den Werkstücken kann somit mithilfe der Abdeckung verbessert werden. Und da die Abdeckung entfernt werden kann, kann dieselbe Schweißelektrode zum Punktschweißen von Werkstückstapeln verwendet werden, die Aluminium-an-Aluminiumwerkstücke und Stahl-an-Stahlwerkstücke umfassen. Die Möglichkeit, dies zu tun, steigert in großem Maß die Herstellungsflexibilität und reduziert Kosten. Es wird auch eine Punktschweißanordnung offenbart, die das Obige bewerkstelligen kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer Widerstandspunktschweißanordnung;
2 ist eine Mikrostruktur einer Schweißlinse, die über einen Widerstandspunktschweißprozess ohne die Verwendung einer Elektrodenschweißflächen-Abdeckung gebildet wurde;
3 ist eine Explosionsdarstellung eines Paares von Schweißelektroden, eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumwerkstück umfasst, und einer Elektrodenschweißflächen-Abdeckung; und
4 ist eine Mikrostruktur einer Schweißlinse, die über einen Widerstandspunktschweißprozess unter Verwendung der Elektrodenschweißflächen-Abdeckung von 3 gebildet wurde; und
5 ist eine perspektivische Darstellung eines Schneidewerkzeuges und einer Schweißelektrode.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Verfahren und die Anordnung, die in dieser Beschreibung im Detail ausgeführt werden, lösen verschiedene Probleme, die auftreten, wenn ein Widerstandspunktschweißen an einem Werkstückstapel ausgeführt wird, der ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück umfasst. Wenngleich sie nachstehend in näherem Detail beschrieben sind, können die beschriebenen Verfahren und die Anordnung im Allgemeinen das Erstarrungsverhalten eines erzeugten Schweißbades verändern und damit die Akkumulierung von Fehlern an und entlang einer Stoß-Grenzfläche des Stapels begrenzen oder insgesamt ausschließen. Die Verfahren und die Anordnung können auch die Größe und Dicke von an der Stoß-Grenzfläche gebildeten intermetallischen Fe-Al-Schichten minimieren. Es sind selbstverständlich andere Verbesserungen möglich. Insgesamt oder für sich sind diese Maßnahmen dabei hilfreich, eine geeignete Abschälfestigkeit einer erstarrten Schweißverbindung zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken aufrechtzuerhalten, und sind dabei hilfreich, die Gesamtfestigkeit und -integrität der hergestellten Schweißverbindung zwischen den Werkstücken sicherzustellen. Der Ausdruck „Werkstück” und seine Stahl- und Aluminiumvarianten werden in dieser Beschreibung weitläufig verwendet, um sich auf eine Metallblechlage, ein Gussteil, einen Strangguss oder irgendein anderes Teil zu beziehen, das widerstandspunktschweißbar ist, einschließlich jeglicher Oberflächenschichten oder -beschichtungen, falls vorhanden. Des Weiteren sollen die in dieser Beschreibung bereitgestellten Wertgrenzen ihre äußeren und Endgrenzen einschließen.
1 zeigt ein Beispiel einer Punktschweißanordnung 10, die zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels 12 verwendet werden kann, welcher ein Stahlwerkstück 14 und ein Aluminiumwerkstück 16 umfasst, die übereinandergelegt sind. Das Stahlwerkstück 14 kann ein galvanisierter kohlenstoffarmer Stahl, ein galvanisierter, moderner, hochfester unlegierter Stahl (AHSS, vom engl. advanced high strength steel), ein mit Aluminium beschichteter Stahl, ein kohlenstoffarmer Stahl, ein blanker Stahl oder eine andere Art von Stahl sein. Einige speziellere Arten von Stählen, die verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, „Interstitial-free”(IF)-Stahl, Dualphasen(DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity”(TRIP)-Stahl und pressgehärteter Stahl (PHS, vom engl. press-hardened steel). Das Aluminiumwerkstück 16 hingegen kann eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung, ein Aluminiummetall oder eine andere Art von Aluminium sein. Einige speziellere Arten von Aluminium, die verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf die Aluminium-Magnesium-Legierung 5754, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung 6022, die Aluminium-Zink-Legierung 7003 und die Al-10-Si-Mg-Aluminium-Druckgusslegierung. Außerdem kann das Aluminiumwerkstück 16 Zink- oder Konversionsbeschichtungen umfassen, die in der Regel verwendet werden, um das Klebevermögen zu verbessern, und es können auch Durchschweißkleber oder -Dichtmittel vorhanden sein, wie sie normalerweise bei Widerstandspunktschweißvorgängen verwendet werden. Jedes der Stahl- und Aluminiumwerkstücke 14, 16 kann eine Dickenabmessung aufweisen, die in einem Bereich zwischen ca. 0,3 mm und 6,0 mm, zwischen ca. 0,5 mm und 4,0 mm und enger zwischen 0,6 mm und 2,5 mm liegt.
Die Punktschweißanordnung 10 ist in der Regel ein Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes, der einen ersten Schweißpistolenarm 18 und einen zweiten Schweißpistolenarm 20 umfasst, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Punktschweißungen zu bilden, wie im Stand der Technik gut bekannt. Der erste Schweißpistolenarm 18 weist eine erste Elektrodenhalterung 22 auf, welche eine erste Schweißelektrode 24 fixiert, und gleichermaßen weist der zweite Schweißpistolenarm 20 eine zweite Elektrodenhalterung 26 auf, welche eine zweite Schweißelektrode 28 fixiert. Die Schweißelektroden 24, 28 können aus einer geeigneten Kupferlegierung zusammengesetzt sein. Wenn ein Widerstandspunktschweißen ausgeführt wird, klemmen die Schweißpistolenarme 18, 20 ihre jeweiligen Schweißelektroden 24, 28 gegen entgegengesetzte Seiten und Außenflächen der übereinandergelegten Werkstücke 14, 16 an einer Schweißstelle 30, wobei begleitende Schweißflächen der Elektroden über- und miteinander ausgerichtet sind. Eine Stoß-Grenzfläche 32 befindet sich zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück 14, 16 an gegenüberstehenden und anliegenden Innenflächen der Werkstücke.
2 illustriert eine Mikrostruktur einer Schweißverbindung 34 in dem Aluminiumwerkstück 16, die über einen Widerstandspunktschweißprozess ohne die Verwendung einer Elektrodenschweißflächen-Abdeckung wie der nachfolgend im Detail dargelegten gebildet wurde. Die Schweißverbindung 34 wird auch als Punktschweißung bezeichnet. Während eine geeignete Schweißverbindung in einigen Fällen ohne Verwendung der Elektrodenschweißflächen-Abdeckung gebildet werden kann, sind in diesem Beispiel Fehler D innerhalb der Schweißverbindung 34 an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 gezeigt. Unter anderen Möglichkeiten können die Fehler D Schrumpfporosität oder Schrumpfen, Gasporosität, Oxidrückstandsbildung und Mikrorissbildung umfassen. Es wurde festgestellt, dass die Fehler D, wenn sie vorhanden und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 akkumuliert sind, insbesondere wenn sie zu dem Außenumfang der Schweißverbindung 34 an der Stoß-Grenzfläche 32 verteilt sind, die Abschälfestigkeit der Schweißverbindung 34 herabsetzen können und allgemeiner die Gesamtintegrität der Fügestelle negativ beeinflussen und schwächen können. Überdies kann bzw. können zusätzlich zu den Fehlern D eine oder mehrere intermetallische Al-Fe-Schichten (nicht gezeigt) zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück 14, 16 und an der Stoß-Grenzfläche 32 wachsen. Die intermetallischen Al-Fe-Schichten können aus FeAl₃ und Fe₂Al₅ wie auch aus anderen Verbindungen bestehen und sind, wenn sie vorhanden sind, oft hart und spröde. Wiederum können die intermetallischen Al-Fe-Schichten hier die Gesamtintegrität der zwischen den Werkstücken 14, 16 hergestellten Schweißverbindung 34 negativ beeinflussen.
Wenngleich nicht die Absicht einer Einschränkung auf bestimmte Kausalitätstheorien besteht, wird derzeit angenommen, dass die Akkumulation der Fehler D an der Stoß-Grenzfläche 32 zum Teil oder in stärkerem Ausmaß auf das Erstarrungsverhalten der Schweißverbindung 34 zurückzuführen ist. Das heißt, dass sich während eines Stromflusses aufgrund der ungleichen physikalischen Eigenschaften der zwei Metalle – und zwar des viel höheren elektrischen Widerstandes und thermischen Widerstandes des Stahls – ein Wärme-Ungleichgewicht zwischen dem viel heißeren Stahlwerkstück 14 und dem vergleichsweise kühleren Aluminiumwerkstück 16 entwickeln kann. Somit wirkt der Stahl als eine Wärmequelle, während das Aluminium als ein Wärmeleiter wirkt. Infolge dieses Wärme-Ungleichgewichts kühlt und erstarrt das Schweißschmelzbad in dem Aluminiumwerkstück 16 nach Beendigung des Stromflusses von seiner Außenfläche in Kontakt mit der kühleren (z. B. wassergekühlten) Schweißelektrode in Richtung seiner Innenfläche und in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32. Der Erstarrungsweg und die Erstarrungsrichtung sind in 2 allgemein durch unterbrochene Pfeile P dargestellt, und eine Grenze der Schweißverbindung 34 ist durch Strichlinien B dargestellt. Der Weg P zeigt zu der Stoß-Grenzfläche 32 und die schrägere Grenze B (verglichen mit der in 4 gezeigten) ist das Ergebnis des Erstarrens in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32. Auf diese Weise gelenkt können jegliche Fehler D nach einem vollständigen Erstarren in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 gezogen werden und enden an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 befindlich. Des Weiteren geht man derzeit davon aus, dass das Wachstum der intermetallischen Al-Fe-Schicht primär in der erhöhten Temperatur begründet ist, welche das Stahlwerkstück 14 während des Widerstandspunktschweißprozesses erfährt, wie oben beschrieben.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3 wird, um die Akkumulierung der Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 zu begrenzen und in einigen Fällen insgesamt auszuschließen, und um die Größe und Dicke der intermetallischen Al-Fe-Schichten daselbst zu minimieren, eine Elektrodenschweißflächen-Abdeckung (hierin nachfolgend „Abdeckung”) 36 mit der Schweißelektrode auf der Aluminiumseite des Werkstückstapels 12 verwendet und soll in Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 kommen (in diesem Beispiel die zweite Schweißelektrode 28). Wie nachfolgend beschrieben, wird, da die Abdeckung 34 aus einem Metallmaterial hergestellt ist, das einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als das der Schweißelektrode, an dem die Abdeckung 36 befestigt wird, und eventuell auch einen höheren als der des Aluminiumwerkstückes 16, eine relativ erhöhte Wärmemenge an dem Aluminiumwerkstück 16 erzeugt, als es andernfalls der Fall wäre. Die erhöhte Temperatur gleicht die zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück 14, 16 entwickelte Wärme besser aus und ist somit dabei hilfreich, eine geeignete Abschälfestigkeit aufrechtzuerhalten, und ist dabei hilfreich, die Gesamtfestigkeit und -integrität der zwischen den Werkstücken 14, 16 hergestellten Schweißverbindung 34 sicherzustellen.
Wie erwähnt, ist die Abdeckung 36 aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt, der einen höheren Wert aufweist als der elektrische Widerstand der zweiten Schweißelektrode 28, sodass die Abdeckung 36 mehr Wärme erzeugt als die zweite Schweißelektrode 28 andernfalls alleine erzeugen würde. Das Metallmaterial der Abdeckung 36 kann z. B. eine elektrische Leitfähigkeit (welche der Kehrwert des elektrischen Widerstandes ist) aufweisen, die kleiner ist als 50% IACS. Außer dass sie aus einem Material mit einem relativ niedrigen elektrischen Widerstand zusammengesetzt ist, erzeugt die zweite Schweißelektrode 28 auch nicht viel Wärme, da sie in der Regel wassergekühlt oder auf andere Weise gekühlt ist. Das Akronym „IACS” bezieht sich auf den International Annealed Copper Standard (IACS), wie Fachleuten bekannt sein wird; das heißt, die dem IACS (gelegentlich als 100% IACS bezeichnet) zugordnete elektrische Leitfähigkeit ist die elektrische Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem geglühtem Kupfer bei 20°C, die als 5,80 × 10⁷ Siemens/Meter (S/m) definiert ist.
In dem Beispiel, in dem die zweite Schweißelektrode 28 aus einem Kupferlegierungsmaterial zusammengesetzt ist, kann die Abdeckung 36 sodann aus einem Stahlmaterial wie z. B. Edelstahl oder einem blanken kohlenstoffarmen Stahl hergestellt sein. Die Abdeckung 36 kann auch aus einem Metall mit einer hohen Schmelztemperatur und einem hohen elektrischen Widerstand hergestellt sein, und das eine begrenzte Reaktion mit Aluminium zeigt; diese würden Molybdän, Wolfram und Niob wie auch andere umfassen. Des Weiteren kann das Metallmaterial der Abdeckung 36 auch einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen als der des Aluminiumwerkstückes 16, um vermehrte Wärme bezüglich dieses Werkstück zu erzeugen.
Die Abdeckung 36 weist eine Größe und Form auf, die allgemein mit einer Schweißfläche und einem Endabschnitt der zweiten Schweißelektrode 28 zusammenpassen und zu diesen komplementär sind, sodass die Abdeckung 36 auf die Schweißfläche und den Endabschnitt passen kann, wenn sie daran befestigt ist. Wenngleich sie als eine „Schweißflächenabdeckung” bezeichnet wird, kann die Abdeckung 36 mehr als nur die Schweißfläche der zugehörigen Schweißelektrode umhüllen und kann auch Teilstücke der Schweißelektrode umhüllen, die sich über die Schweißfläche hinaus erstrecken, wenngleich es nicht notwendig ist. Der Endabschnitt der zweiten Schweißelektrode 28 weist ein kegelstumpfförmiges Teilstück 38 und eine gewölbte Schweißfläche 40 auf; es sind andere Bauformen einschließlich einer möglich, in der ein gekrümmtes und stärker abgerundetes Teilstück das kegelstumpfförmige Teilstück ersetzt. In der Ausführungsform von 3 ist die Abdeckung 36 sodann hohl an ihrer Innenseite und weist ein komplementäres kegelstumpfförmiges Teilstück 42 und eine komplementär gewölbte Schweißfläche 44 auf. In einer anderen Ausführungsform kann die Abdeckung 36 anfänglich flacher als gezeigt oder eine vollständig flache und ebene Platte sein und kann anschließend über dem Endabschnitt der zweiten Schweißelektrode 28 metallverarbeitet werden, um die Form des Endabschnitts anzunehmen.
In spezifischen, nicht einschränkenden Beispielen kann die Schweißfläche 40 der zweiten Schweißelektrode 28 eine Durchmesserabmessung 100 in einem Bereich zwischen ca. 5 mm und 20 mm und bevorzugt zwischen 8 mm und 12 mm aufweisen und kann eine Krümmungsradius-Abmessung 200 in einem Bereich zwischen ca. 8 mm und flach aufweisen. In ähnlicher Weise kann die Schweißfläche 44 der Abdeckung 36 in spezifischen, nicht einschränkenden Beispielen eine Durchmesserabmessung in einem Bereich zwischen ca. 5 mm und 20 mm und bevorzugt zwischen 8 mm und 12 mm aufweisen und kann eine Krümmungsradius-Abmessung in einem Bereich zwischen ca. 8 mm und flach aufweisen. Es sind andere Durchmesser- und Krümmungsradius-Abmessungen möglich. Die Abdeckung 36 kann eine gleichmäßige Dicke über ihre Struktur hinweg aufweisen. In spezifischen, nicht einschränkenden Beispielen kann der Dickenwert der Abdeckung 36 in einem Bereich zwischen ca. 0,05 mm und 5,0 mm, zwischen ca. 0,1 mm und 0,5 mm liegen und kann ca. 0,2 mm oder 0,3 mm betragen. Es sind andere Dickenwerte möglich.
Die Befestigung zwischen der Abdeckung 36 und dem Endabschnitt der zweiten Schweißelektrode 28 kann mithilfe einer Vielfalt von Techniken bewerkstelligt werden. Welche Technik auch immer, die Befestigung ist allerdings temporär und nicht permanent in dem Sinn, dass die Abdeckung 36 von dem Endabschnitt nach der Ausführung einer Anzahl einzelner Widerstandspunktschweißungen, wie nachfolgend beschrieben, letztlich gelöst und entfernt, wenngleich nicht unbedingt verworfen wird. Anders ausgedrückt ist die Abdeckung 36 konstruiert, um lösbar zu sein. In den meisten Fällen sollte die Befestigung robust genug sein, um einen engen Sitz zwischen der Abdeckung 36 und dem Endabschnitt für mehr als eine einzige Widerstandspunktschweißung aufrechtzuerhalten und sollte in der Lage sein, mehrere automatisierte Punktschweißungen, wie es bei der Herstellung von Fahrzeugkarosserieteilen üblich ist, zu überdauern. In einigen Ausführungsformen werden die Abdeckung 36 und der Endabschnitt mithilfe eines oder mehrerer metallverarbeitender Verfahren aneinander befestigt. Die Befestigung kann z. B. mithilfe eines Bördelverfahrens, eines Pressverfahrens, eines Schraub- oder Gewindeschneideverfahrens oder auf andere Weise hergestellt werden. Die Abdeckung 36 kann somit mithilfe einer Presspassungsbefestigung, einer Einschnappbefestigung, einer Festpassbefestigung, einer Anschraub/Abschraubbefestigung oder einer anderen Befestigung an dem Endabschnitt der zweiten Schweißelektrode 28 befestigt werden. In einem spezifischen Beispiel kann die Befestigung jener ähneln, die zwischen einem Flaschenverschluss und einer Glasflasche hergestellt wird – das heißt, das kegelstumpfförmige Teilstück 42 oder andere Schürzenteilstück der Abdeckung 36 würde in beabstandeten Intervallen um das Teilstück herum gequetscht werden, um das kegelstumpfförmige Teilstück 42 der Abdeckung 36 gegen das kegelstumpfförmige Teilstück 38 der zweiten Schweißelektrode 28 zu quetschen. Die ausgeübte Kraft hält die Abdeckung 36 und die zweite Schweißelektrode 28 zusammen.
Das anschließende Lösen der Abdeckung 36 kann dann selbstverständlich von der zwischen der Abdeckung 36 und der zweiten Schweißelektrode 28 hergestellten Befestigung abhängig sein. In einigen Beispielen kann das Lösen manuell von Hand oder mit Unterstützung eines Werkzeuges wie einer Gabel zum Abhebeln der Abdeckung 36 von der zweiten Schweißelektrode 28 oder einer Zange zum Abschrauben der Abdeckung 36 von der zweiten Schweißelektrode 28 bewerkstelligt werden. In anderen Beispielen kann das Lösen mit einer Maschine bewerkstelligt werden und ist automatisiert und ein Teil des größeren Schweißablaufes.
Nach dem Befestigen stellt eine innere und innen liegende Oberfläche der Abdeckung 36 einen Metall-zu-Metall-Kontakt mit der Schweißfläche 40 der zweiten Schweißelektrode 28 an einem oder mehreren Orten her. In einigen Ausführungsformen ist die Abdeckung 36 z. B. anfänglich flach und ihre innere Oberfläche steht nur mit einem Mittelpunkt der gewölbten Schweißfläche 40 in Kontakt. Anschließend, während des Widerstandspunktschweißens, können die erzeugte Wärme und der erzeugte Druck bewirken, dass die Abdeckung 36 vollständiger die Form der gewölbten Schweißfläche 40 annimmt. Überdies kann die Schweißfläche 40 mit Vorkehrungen zum Durchdringen von Oxidschichten ausgestattet sein, die auf der Außenfläche eines Aluminiumwerkstückes vorhanden sein könnten, beispielsweise einem Satz von vorstehenden Ringen, einer Oberflächenstrukturierung und -aufrauung oder etwas anderem.
Wenn sie mit der Punktschweißanordnung 10 verwendet wird, verändert die Abdeckung 36 das Erstarrungsverhalten der Schweißverbindung 34 und begrenzt oder schließt dadurch insgesamt die Akkumulierung von Fehlern D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 aus. Da die Abdeckung 36 einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die zweite Schweißelektrode 28, erwärmt sich die Abdeckung 36 während eines Stromflusses bis zu einem höheren Grad und stellt mehr Wärme auf der Aluminiumseite des Werkstückstapels 12 und an der Außenfläche des Aluminiumwerkstückes 16 bereit. Das verbesserte Wärmegleichgewicht und die gleichmäßigere Wärmeverteilung ändern die Kühlwirkung des Schweißschmelzbades, wenn es erstarrt, um die Schweißverbindung 34 innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 zu werden.
Nunmehr Bezug nehmend auf die Mikrostruktur von 4 kühlt und erstarrt das Schweißschmelzbad in dem Aluminiumwerkstück 16, anstatt in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 zu erstarren, wie in 2 demonstriert und oben beschrieben ist, von einem äußeren Gebiet der Schweißverbindung 34 in Richtung eines zentralen Gebietes. Der Erstarrungsweg und die Erstarrungsrichtung sind in 4 allgemein durch unterbrochene Pfeile P dargestellt, und eine Grenze der Schweißverbindung 34 ist durch Strichlinien B dargestellt. Der Weg P zeigt in Richtung des zentralen Gebietes und die Grenze B ist bezüglich der Stoß-Grenzfläche 32 infolge des veränderten Erstarrungsweges orthogonaler (verglichen mit der in 2 gezeigten). Inmitten des Erstarrens in 4 wandern jegliche Fehler D in Richtung des zentralen Gebiets und setzen sich dort ab und befinden sich weit weg von der Stoß-Grenzfläche 32, wie gezeigt, oder sind in der Nähe des Zentrums der Schweißverbindung 34 stärker verdichtet und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 weniger verstreut. Diese Verringerung oder Beseitigung von Fehlern D entlang der Stoß-Grenzfläche 32, insbesondere an dem Außenumfang der Schweißverbindung 34 verbessert das mechanische Verhalten. Demzufolge wird eine geeignete Abschälfestigkeit aufrechterhalten und die Gesamtfestigkeit und -integrität der hergestellten Schweißverbindung 34 zwischen den Werkstücken 14, 16 wird sichergestellt.
Außerdem bedeutet das verbesserte Wärmegleichgewicht auch, dass das auf der Stahlseite des Werkstückstapels 12 produzierte Wärmniveau reduziert werden kann, um so zuzulassen, dass der Pegel des durch den Werkstückstapel 12 hindurch fließenden elektrischen Stromes reduziert wird. Diese Reduktionen minimieren eine Diffusion zwischen Fe und Al und minimieren demnach die begleitende Größe und Dicke jeglicher intermetallischer Al-Fe-Schichten, die sich an der Stoß-Grenzfläche 32 bilden können. Es wurde festgestellt, dass, je größer die Größe und die Dicke der intermetallischen Al-Fe-Schichten sind, desto spröder die Schichten sind und desto wahrscheinlicher es ist, dass sie unter Belastung brechen. Das Minimieren der Schichten ist dabei hilfreich, eine geeignete Abschälfestigkeit aufrechtzuerhalten, und ist dabei hilfreich, die Gesamtfestigkeit und -integrität der hergestellten Schweißverbindung 34 sicherzustellen.
In dem größeren automatisierten Schweißablauf kann die zweite Schweißelektrode 28 für nur einen Teil des Ablaufes mit der Abdeckung 36 ausgestattet sein. Die Abdeckung 36 kann entfernt und die zweite Schweißelektrode 28 ohne eine Abdeckung verwendet werden, um zusätzliche Widerstandspunktschweißungen auszuführen. In einem Beispiel wird die Abdeckung 36 an der zweiten Schweißelektrode 28 befestigt und es werden mehrere Widerstandspunktschweißungen – z. B. zwei bis fünfzehn Schweißungen – an einem Werkstückstapel wie dem Werkstückstapel 12 mit einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstück 14, 16 ausgeführt. Die Anzahl von Schweißungen, die mit der befestigten Abdeckung 36 hergestellt werden können, unterscheidet die Abdeckung von bisher bekannten Schweißabdeckplatten, die nur einmal verwendet und dann ausgetauscht werden (d. h. Einmalverwendung). Sobald das Schweißen des Werkstückstapels 12 beendet ist, kann die Abdeckung 36 von der zweiten Schweißelektrode 28 entfernt werden und die Schweißelektrodenanordnung 10 kann verwendet werden, um mehrere Widerstandspunktschweißungen an anderen Stapeln auszuführen, welche zwei übereinandergelegte Aluminium-Werkstücke (Aluminium-an-Aluminium-Werkstücke) oder zwei übereinandergelegte Stahl-Werkstücke (Stahl-an-Stahl-Werkstücke) umfassen. Tatsächlich können Widerstandspunktschweißungen sowohl an Aluminium-an-Aluminium-Werkstücken als auch an Stahl-an-Stahl-Werkstücken ausgeführt werden. In diesem Beispiel können die Schweißflächen der Schweißelektroden 24, 28, nachdem das Punktschweißen der Stapel beendet ist, erneut zugerichtet werden, um einen Verunreinigungsaufbau auf den Schweißflächen zu entfernen. Es kann beispielsweise ein Schneidewerkzeug wie das Werkzeug 50 in 5 verwendet werden, um diese Aufgabe zu erledigen. Die Schweißelektroden 24, 28 und schnell rotierende Klingen 52 können in Richtung zueinander (oder eines gegen das andere) vorgerückt werden und treffen aufeinander, um eine Tiefe von Material von den Schweißflächen abzuscheren. Es sind auch andere Beispiele des Zurichtens möglich. Sobald sie frisch zugerichtet ist, kann eine neue Abdeckung 36 oder eine alte Abdeckung 36, die noch immer betriebsfunktionsfähig ist – insbesondere wenn die Abdeckung 36 aus einem feuerfesten Metall wie z. B. Molybdän, Wolfram oder Niob hergestellt ist – an der zweiten Schweißelektrode 28 befestigt werden, und der Ablauf kann an anderen Werkstückstapeln erneut beginnen. Diese verschiedenen Schritte in dem Ablauf können mithilfe verschiedener und speziell vorgesehener Arbeitsstationen erreicht werden.
Die obige Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen und ähnlicher Beispiele ist rein beschreibender Natur; diese sollen den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Ausdrücke soll seine gebräuchliche und übliche Bedeutung haben, es sei denn, in der Patentbeschreibung wird ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes zum Ausdruck gebracht.

Claims

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes aneinander, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine Abdeckung zumindest über einer Schweißfläche einer Schweißelektrode befestigt wird, wobei die Abdeckung aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt ist, der größer ist als ein elektrischer Widerstand eines Materials der Schweißelektrode; eine Vielzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem Werkstückstapel ausgeführt wird, wobei die Abdeckung an dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück anliegt, während die einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt werden; und die Abdeckung von der Schweißelektrode entfernt wird, nachdem die einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung mithilfe eines Bördelverfahrens, eines Pressverfahrens, eines Schraubverfahrens oder einer Kombination aus zwei oder mehr dieser Verfahren an der Schweißelektrode befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung aus Stahl, Edelstahl, Molybdän, Wolfram oder Niob hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein zweiter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein zweites Stahlwerkstück und ein zweites Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine zweite Abdeckung zumindest über der Schweißfläche der Schweißelektrode befestigt wird, nachdem die erste Abdeckung entfernt ist, wobei die zweite Abdeckung aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt ist, der größer ist als der elektrische Widerstand des Materials der Schweißelektrode; und eine Vielzahl von zweiten einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem zweiten Werkstückstapel ausgeführt wird, wobei die zweite Abdeckung an dem zweiten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück anliegt, während die zweiten einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein zweiter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück umfasst oder der ein erstes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück und ein zweites Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; und eine Vielzahl von zweiten einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem zweiten Werkstückstapel ausgeführt wird, nachdem die Abdeckung entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend, dass die Schweißfläche der Schweißelektrode zugerichtet wird, nachdem die zweiten einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass: ein dritter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein drittes Stahlwerkstück und ein drittes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine zweite Abdeckung zumindest über der Schweißfläche der Schweißelektrode befestigt wird, nachdem die Schweißfläche zugerichtet ist, wobei die zweite Abdeckung aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt ist, der größer ist als der elektrische Widerstand des Materials der Schweißelektrode; und eine Vielzahl von dritten einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem dritten Werkstückstapel ausgeführt wird, wobei die zweite Abdeckung an dem dritten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück anliegt, während die dritten einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material der Abdeckung einen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als ein elektrischer Widerstand des Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes.
Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes aneinander, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine Abdeckung zumindest über einer Schweißfläche einer Schweißelektrode befestigt wird, wobei die Abdeckung aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt ist, der größer ist als ein elektrischer Widerstand eines Materials der Schweißelektrode und der größer ist als ein elektrischer Widerstand des Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes; eine Vielzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem Werkstückstapel ausgeführt wird, wobei die Abdeckung an dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück anliegt, während die einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt werden; die Abdeckung von der Schweißelektrode entfernt wird, nachdem die einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt sind; ein zweiter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück umfasst oder der ein erstes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück und ein zweites Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine Vielzahl von zweiten einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem zweiten Werkstückstapel ausgeführt wird, nachdem die Abdeckung entfernt ist; ein dritter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein drittes Stahlwerkstück und ein drittes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine zweite Abdeckung zumindest über der Schweißfläche der Schweißelektrode befestigt wird, wobei die zweite Abdeckung aus einem Metallmaterial mit einem elektrischen Widerstand hergestellt ist, der größer ist als der elektrische Widerstand des Materials der Schweißelektrode und der größer ist als ein elektrischer Widerstand des Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes; und eine Vielzahl von dritten einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem dritten Werkstückstapel ausgeführt wird, wobei die zweite Abdeckung an dem dritten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück anliegt, während die dritten einzelnen Widerstandspunktschweißungen ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass: die Schweißfläche der Schweißelektrode erneut zugerichtet wird, nachdem die Vielzahl von zweiten einzelnen Widerstandspunktschweißungen an dem zweiten Werkstückstapel ausgeführt sind, aber bevor die zweite Abdeckung befestigt wird.