DE102014112028A1

DE102014112028A1 - Multi-stage direct welding of an aluminum-based workpiece to a steel workpiece

Info

Publication number: DE102014112028A1
Application number: DE102014112028.0A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Karagoulis; David R. Sigler; Blair E. Carlson; Yelena Myasnikova
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Ein Werkstückstapel, der zumindest ein Stahlwerkstück und ein aluminiumbasiertes Werkstück umfasst, kann durch Verwenden eines mehrstufigen Punktschweißverfahrens widerstandspunktgeschweißt werden, in dem der Durchgang eines elektrischen Stromes gesteuert wird, um mehrere Stufen einer Schweißverbindungsentwicklung auszuführen. Die mehreren Stufen umfassen: (1) eine Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe, in der ein Schweißschmelzbad innerhalb des aluminiumbasierten Werkstückes initiiert und zum Wachsen gebracht wird; (2) eine Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe, in der zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad abkühlt und zu einer Schweißlinse erstarrt, die eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung bildet; (3) eine Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens, in der zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse erneut geschmolzen wird; und (4) eine Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse, in der zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse abkühlt und erstarrt.A stack of workpieces comprising at least one steel workpiece and one aluminum-based workpiece can be resistance point welded using a multi-stage spot welding process in which the passage of an electrical current is controlled to perform multiple stages of weld joint development. The multiple stages include: (1) a weld pool growth stage in which a weld pool within the aluminum-based workpiece is initiated and allowed to grow; (2) a molten pool solidification stage in which the molten pool is allowed to cool and solidify into a nugget that forms all or part of a weld joint; (3) a step of reflowing molten solder, in which at least a portion of the weld nugget is remelted; and (4) a refining step of the reflowed weld nugget in which the reflowed portion of the weld nugget is allowed to cool and solidify.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nummer 61/869 281, eingereicht am 23. August 2013. Der Inhalt der vorläufigen Anmeldung ist hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen.This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 86,9281 filed on Aug. 23, 2013. The content of the provisional application is hereby incorporated by reference in its entirety.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren das Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein aluminiumbasiertes Werkstück und ein Stahlwerkstück umfasst, die in überlappender Weise relativ zueinander zusammengesetzt werden.The technical field of this disclosure relates generally to resistance spot welding and, more particularly, to resistance spot welding of a workpiece stack comprising an aluminum-based workpiece and a steel workpiece which are assembled in an overlapping manner relative to one another.

HINTERGRUNDBACKGROUND

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 wird in der Regel eine Anzahl von Punktschweißnähten entlang einer umlaufenden Kante der Metallwerkstücke oder einem anderen Bindungsgebiet gebildet, um sicherzustellen, dass das Teil 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 aluminiumbasierte (Aluminium- oder Aluminiumlegierungs)-Werkstücke durch Widerstandspunktschweißen mit sich gebracht. Im Speziellen würde die Fähigkeit des Widerstandspunktschweißenns von Werkstückstapeln, die verschiedene Werkstückkombinationen (z. B. Stahl/Stahl, aluminiumbasiert/Stahl und aluminiumbasiert/aluminiumbasiert) enthalten, mit einem Anlagenteil die Produktionsflexibilität begünstigen und Produktionskosten reduzieren.Resistance spot welding is a process used by a number of industries to join two or more metal workpieces together. For example, the automotive industry often uses resistance spot welding to join prefabricated metal workpieces together during manufacture of, among other things, a door, hood, decklid or tailgate of a vehicle. Typically, a number of spot welds are formed along a circumferential edge of the metal workpieces or other bonding area to ensure that the part is structurally sound. While spot welding has typically been practiced to produce certain, similarly assembled metal workpieces - e.g. For example, to join steel to steel and aluminum alloy to aluminum alloy, the desire to incorporate lighter weight materials into a vehicle body structure has created interest in joining steel workpieces to aluminum-based (aluminum or aluminum alloy) workpieces by resistance spot welding. In particular, the capability of resistance spot welding of workpiece stacks containing various combinations of components (eg steel / steel, aluminum based / steel and aluminum based / aluminum based) with one piece of equipment would promote production flexibility and reduce production costs.

Das Widerstandspunktschweißen im Allgemeinen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stromes durch einander überlappende Metallwerkstücke und über ihre Stoß-Grenzfläche hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Schweißprozess durchzuführen, wird ein Paar entgegengesetzter Punktschweißelektroden typischerweise an diametral ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten der Werkstücke an einer vorbestimmte Schweißstelle eingespannt. Dann wird ein elektrischer Strom durch die Metallwerkstücke von einer Elektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an ihrer Stoß-Grenzfläche. Wenn die Metallwerkstücke, die aneinander punktgeschweißt werden, ein Stahlwerkstück und ein aluminiumbasiertes Werkstück sind, initiiert die an der Stoß-Grenzfläche erzeugte Wärme ein Schweißschmelzbad, das sich von der Stoß-Grenzfläche in das aluminiumbasierte Werkstück hinein erstreckt. Dieses Schweißschmelzbad benetzt die benachbarte Fläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach dem Aufhören des Stromflusses zu einer Schweißlinse, welche eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung bildet.Resistance spot welding generally relies on resistance to the flow of electrical current through overlapping metal workpieces and across their impact interface to generate heat. To perform such a welding process, a pair of opposed spot welding electrodes are typically clamped at diametrically-aligned points on opposite sides of the workpieces at a predetermined weld. Then, an electric current is passed through the metal workpieces from one electrode to the other. The resistance to the flow of this electrical current generates heat within the metal workpieces and at their impact interface. When the metal workpieces spot-welded to one another are a steel workpiece and an aluminum-based workpiece, the heat generated at the impact interface initiates a weld pool that extends from the impact interface into the aluminum-based workpiece. This weld molten bath wets the adjacent surface of the steel workpiece and solidifies after stopping the flow of current to a weld nugget, which forms a whole or part of a welded joint.

In der Praxis stellt das Punktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein aluminiumbasiertes Werkstück jedoch eine Herausforderung dar, da eine Anzahl von Eigenschaften dieser beiden Metalle die Festigkeit – in besonderem Maße die Abschälfestigkeit – der Schweißverbindung negativ beeinflussen kann. Zum einen enthält das aluminiumbasierte Werkstück üblicherweise eine oder mehrere feuerbeständige Oxidschichten auf seiner Oberfläche. Die Oxidschicht(en) ist/sind typischerweise aus Aluminiumoxiden zusammengesetzt, wenngleich auch andere Oxidverbindungen vorhanden sein können. Beispielsweise umfasst bzw. umfassen die Oxidschicht(en) in dem Fall von magnesiumhaltigen Aluminiumlegierungen typischerweise auch Magnesiumoxide. Die auf dem aluminiumbasierten Werkstück vorhandene(n) Oxidschicht(en) ist/sind elektrisch isolierend und mechanisch widerstandsfähig. Infolge dieser physikalischen Eigenschaften zeigt bzw. zeigen die Oxidschicht(en) die Tendenz, an der Stoß-Grenzfläche intakt zu bleiben, wo sie das Vermögen des Schweißschmelzbades, das Stahlwerkstück zu benetzen, behindern können. Es wurden in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen, die Oxidschicht(en) vor dem Punktschweißen von dem aluminiumbasierten Werkstück zu entfernen. Solche Entfernungspraktiken können aber unpraktisch sein, da die Oxidschicht(en) die Fähigkeit zur Selbstregeneration oder Regeneration in Gegenwart von Sauerstoff besitzt bzw. besitzen, insbesondere mit der Anwendung von Wärme von Punktschweißarbeiten.In practice, however, spot welding a steel workpiece to an aluminum-based workpiece presents a challenge because a number of properties of these two metals can adversely affect the strength, and particularly the peel strength, of the weld. On the one hand, the aluminum-based workpiece usually contains one or more fire-resistant oxide layers on its surface. The oxide layer (s) is / are typically composed of alumina, although other oxide compounds may also be present. For example, in the case of magnesium-containing aluminum alloys, the oxide layer (s) also typically include magnesium oxides. The oxide layer (s) present on the aluminum-based workpiece is / are electrically insulating and mechanically resistant. Due to these physical properties, the oxide layer (s) tend to remain intact at the impact interface, where they may hinder the ability of the weld pool to wet the steel workpiece. Efforts have been made in the past to remove the oxide layer (s) from the aluminum-based workpiece prior to spot welding. However, such removal practices may be impractical because the oxide layer (s) possess the ability to self-regenerate or regenerate in the presence of oxygen, particularly with the application of heat from spot welding operations.

Das Stahlwerkstück und das aluminiumbasierte Werkstück besitzen auch verschiedene Eigenschaften, die dazu neigen, den Punktschweißprozess zu verkomplizieren. Insbesondere weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (~1500°C) und einen relativ hohen elektrischen und thermischen Widerstand auf, während das aluminiumbasierte Material einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600°C) und einen relativ niedrigen elektrischen und thermischen Widerstand aufweist. Infolge dieser physikalischen Unterschiede wird während eines Stromflusses der Großteil der Wärme in dem Stahlwerkstück erzeugt. Dieses Wärmeungleichgewicht errichtet einen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem aluminiumbasierten Werkstück (niedrigere Temperatur), der ein schnelles Schmelzen des aluminiumbasierten Werkstückes initiiert. Die Kombination aus dem während des Stromflusses erzeugten Temperaturgradienten und der hohen thermischen Leitfähigkeit des aluminiumbasierten Werkstückes bedeutet, dass unmittelbar nachdem der elektrische Strom aufhört eine Situation auftritt, in der Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle verteilt wird. Vielmehr wird Wärme von dem heißeren Stahlwerkstück durch das aluminiumbasierte Werkstück hindurch in Richtung der Schweißelektrode in Kontakt mit dem aluminiumbasierten Werkstück geleitet, was einen steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode erzeugt. The steel workpiece and the aluminum-based workpiece also have various properties that tend to complicate the spot welding process. In particular, steel has a relatively high melting point (~ 1500 ° C) and relatively high electrical and thermal resistance, while the aluminum based material has a relatively low melting point (~ 600 ° C) and relatively low electrical and thermal resistance. As a result of these physical differences, most of the heat is generated in the steel workpiece during a current flow. This heat imbalance establishes a temperature gradient between the steel workpiece (higher temperature) and the aluminum-based workpiece (lower temperature), which initiates rapid melting of the aluminum-based workpiece. The combination of the temperature gradient generated during the current flow and the high thermal conductivity of the aluminum-based workpiece means that immediately after the electric current ceases a situation occurs in which heat is not distributed symmetrically from the weld. Rather, heat from the hotter steel workpiece is directed through the aluminum-based workpiece toward the welding electrode in contact with the aluminum-based workpiece, creating a steep thermal gradient between the steel workpiece and the welding electrode.

Man nimmt an, dass die Entwicklung eines steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode in Kontakt mit dem aluminiumbasierten Werkstück die Integrität der resultierenden Schweißverbindung auf zweierlei primäre Art und Weise schwächt. Erstens, da das Stahlwerkstück Wärme über eine längere Dauer zurückhält als das aluminiumbasierte Werkstück, nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, erstarrt das Schweißschmelzbad gerichtet, beginnend von dem Gebiet am nächsten bei der kälteren Schweißelektrode (oft wassergekühlt), welches dem aluminiumbasierten Werkstück zugehörig ist, und sich in Richtung der Stoß-Grenzfläche ausbreitend. Eine Erstarrungsfront dieser Art neigt dazu, Fehler – z. B. eine Gasporosität, Schrumpfungshohlräume, Mikrorissbildung und Oberflächenoxidrückstände – in Richtung und entlang der Stoß-Grenzfläche innerhalb der Schweißlinse zu reißen oder zu treiben. Zweitens begünstigt die anhaltend erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Verbindungen an und entlang der Stoß-Grenzfläche. Die intermetallischen Verbindungen neigen dazu, dünne Reaktionsschichten zwischen der Schweißlinse und dem Stahlwerkstück zu bilden. Diese intermetallischen Schichten werden allgemein als Teil der Schweißverbindung, falls vorhanden, zusätzlich zu der Schweißlinse betrachtet. Das Vorhandensein einer Verteilung von Schweißlinsenfehler zusammen mit übermäßigem Wachstum von intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Stoß-Grenzfläche neigt dazu, die Abschälfestigkeit der fertigen Schweißverbindung herabzusetzen.It is believed that the development of a steep thermal gradient between the steel workpiece and the welding electrode in contact with the aluminum-based workpiece weakens the integrity of the resulting weld joint in two primary ways. First, because the steel workpiece retains heat for a longer duration than the aluminum-based workpiece after the electrical current ceases, the weld pool solidifies directionally, starting from the area closest to the colder welding electrode (often water cooled) associated with the aluminum-based workpiece. and spreading in the direction of the impact interface. A solidification front of this kind tends to errors - z. Gaseous porosity, shrinkage cavities, microcracking and surface oxide residues - to crack or drive in the direction and along the impact interface within the weld nugget. Second, the persistently elevated temperature in the steel workpiece favors the growth of brittle Fe-Al intermetallic compounds at and along the impact interface. The intermetallic compounds tend to form thin reaction layers between the weld nugget and the steel workpiece. These intermetallic layers are generally considered to be part of the weld joint, if any, in addition to the weld nugget. The presence of a distribution of weld nugget along with excessive growth of Fe-Al intermetallic compounds along the impact interface tends to decrease the peel strength of the finished weld.

Im Licht der zuvor erwähnten Herausforderungen haben bisherige Bemühungen zum Punktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines aluminiumbasierten Werkstückes einen Schweißplan verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (verglichen mit dem Punktschweißen von Stahl an Stahl) bestimmt, um eine angemessene Schweißbindungsfläche zu versuchen und zu beschaffen. Diese Bemühungen waren großteils erfolglos in einer Produktionsumgebung und neigen dazu, die Schweißelektroden zu beschädigen. Unter der Maßgabe, dass die bisherigen Bemühungen zum Punktschweißen nicht besonders erfolgreich waren, wurden stattdessen vorwiegend mechanische Verfahren wie z. B. Schlagniete und Flow-Drill-Schrauben verwendet. Sowohl Schlagniete als auch Flow-Drill-Schrauben sind verglichen mit dem Punktschweißen wesentlich langsamer und sind mit hohen Gebrauchskosten verbunden. Sie fügen der Fahrzeugkarosseriestruktur auch Gewicht hinzu, was an einem bestimmten Punkt beginnen kann, die Gewichtseinsparungen zu konterkarieren, welche durch die hauptsächliche Verwendung von aluminiumbasierten Werkstücken erzielt wurden. Somit wären auf dem technischen Gebiet Fortschritte beim Punktschweißen willkommen, welche den Prozess besser in die Lage versetzen würden, Stahl- und aluminiumbasierte Werkstücke zu fügen.In the light of the aforementioned challenges, previous efforts to spot weld a steel workpiece and an aluminum-based workpiece have used a weld schedule that determines higher currents, longer weld times, or both (compared to spot welding from steel to steel) to try and obtain an adequate weld bonding surface , These efforts have been largely unsuccessful in a production environment and tend to damage the welding electrodes. Assuming that the previous efforts for spot welding were not particularly successful, mainly mechanical methods such. B. impact rivets and flow-drill screws used. Both impact rivets and flow-drill screws are much slower compared to spot welding and are associated with high utility costs. They also add weight to the vehicle body structure, which at some point may begin to counteract the weight savings achieved by the primary use of aluminum-based workpieces. Thus, in the technical field, advances in spot welding would be welcome, which would better enable the process to add steel and aluminum based workpieces.

ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNGSUMMARY OF THE REVELATION

Ein Werkstückstapel, der zumindest ein Stahlwerkstück und ein aluminiumbasiertes Werkstück umfasst, kann durch Verwenden eines mehrstufigen Punktschweißverfahrens widerstandspunktgeschweißt werden – sodass eine Schweißverbindung an einer Stoß-Grenzfläche des Stahl- und des aluminiumbasierten Werkstückes gebildet wird – indem ein mehrstufiges Punktschweißverfahren verwendet wird. Das mehrstufige Punktschweißen wird angewendet, indem der Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen entgegengesetzten Punktschweißelektroden und durch den Werkstückstapel hindurch gesteuert wird, um mehrere Stufen einer Schweißverbindungsentwicklung auszuführen, die umfassen: (1) eine Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe, in der ein Schweißschmelzbad innerhalb des aluminiumbasierten Werkstückes initiiert und zum Wachsen gebracht wird; (2) eine Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe, in der zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad abkühlt und zu einer Schweißlinse erstarrt, die eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung bildet; (3) eine Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens, in der zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse erneut geschmolzen wird; (4) eine Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse, in der zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse abkühlt und erstarrt; und optional (5) eine Metallausstoßstufe, in der zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts der Schweißlinse entlang der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke ausgestoßen wird.A stack of workpieces comprising at least one steel workpiece and one aluminum-based workpiece may be resistance point welded using a multi-stage spot welding process - such that a weld joint is formed at a butt joint of the steel and aluminum-based workpiece - using a multi-stage spot welding process. Multi-stage spot welding is employed by controlling the passage of electrical current between opposed spotweld electrodes and through the workpiece stack to perform multiple stages of weld joint development, including: (1) a weld pool growth stage in which a weld pool initiates within the aluminum-based workpiece and is brought to growth; (2) a molten pool solidification stage in which the molten pool is allowed to cool and solidify into a nugget that forms all or part of a weld joint; (3) a step of reflowing molten solder, in which at least a portion of the weld nugget is remelted; (4) a solidification stage of the reflowed weld nugget, in FIG allowing the remelted portion of the weld nugget to cool and solidify; and optionally (5) a metal ejection stage in which at least a part of the remelted portion of the weld nugget is ejected along the butting interface of the workpieces.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Werkstückstapels, welcher ein Stahlwerkstück und ein aluminiumbasiertes Werkstück umfasst, die sich zwischen entgegengesetzten Punktschweißelektroden einer Schweißpistole in Vorbereitung zum Punktschweißen befinden; 1 Figure 11 is a side elevational view of a workpiece stack including a steel workpiece and an aluminum-based workpiece located between opposed spot welding electrodes of a welding gun in preparation for spot welding;

2 ist eine vergrößerte Teilansicht des Werkstückstapels und der entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 1 abgebildet sind; 2 is an enlarged partial view of the workpiece stack and the opposite welding electrodes, which in 1 are shown;

3 ist eine partielle Querschnittsansicht des Werkstückstapels während eines Teils des mehrstufigen Schweißverfahrens, in dem ein Schweißschmelzbad innerhalb des aluminiumbasiertes Werkstückes initiiert und zum Wachsen gebracht wurde; 3 FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the workpiece stack during a portion of the multi-stage welding process in which a molten weld pool within the aluminum-based workpiece has been initiated and grown; FIG.

4 ist eine partielle Querschnittsansicht des Werkstückstapels während eines Teils des mehrstufigen Schweißverfahrens nachdem zugelassen wurde, dass das Schweißschmelzbad abkühlt und zu einer Schweißlinse erstarrt, welche eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung bildet; 4 FIG. 12 is a partial cross-sectional view of the workpiece stack during a portion of the multi-stage welding process after allowing the molten pool to cool and solidify into a nugget that forms all or part of a weld; FIG.

5 ist eine partielle Querschnittsansicht des Werkstückstapels während eines Teils des mehrstufigen Schweißverfahrens, in dem zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse erneut geschmolzen wurde; 5 Fig. 10 is a partial cross-sectional view of the workpiece stack during a portion of the multi-stage welding process in which at least a portion of the weld nugget has been remelted;

6 ist eine partielle Querschnittsansicht des Werkstückstapels nachdem zugelassen wurde, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse abkühlt und erstarrt; 6 is a partial cross-sectional view of the workpiece stack after allowing the remelted portion of the weld nugget to cool and solidify;

7 ist eine perspektivische Darstellung des Werkstückstapels von unten, in welcher das Stahlwerkstück gestrichelt gezeigt ist, um die Schweißbindungsfläche der Schweißlinse wie auch die mögliche zusätzliche Schweißbindungsfläche schematisch zu illustrieren, die infolge eines erneuten Schmelzens zumindest eines Abschnitts der Schweißlinse während des mehrstufigen Schweißverfahrens erzielt werden kann; 7 Figure 3 is a bottom perspective view of the workpiece stack showing the steel workpiece broken away to schematically illustrate the weld bonding surface of the weld nugget as well as the possible additional weld bonding surface that may be achieved due to reflow of at least a portion of the nugget during the multi-stage welding process;

8 ist ein Schweißplan, der einen einstufigen konstanten Strom zeigt, welcher herkömmlicherweise in Punktschweißanwendungen verwendet wurde; 8th Fig. 10 is a welding schedule showing a single-stage constant current conventionally used in spot welding applications;

9 ist ein Schweißplan, der ein Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; 9 Fig. 12 is a welding schedule showing an example of the disclosed multi-stage spot welding method;

10 ist ein Schweißplan, der ein anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; 10 Fig. 10 is a welding schedule showing another example of the disclosed multi-stage spot welding method;

11 ist ein Schweißplan, der ein noch anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; 11 Fig. 15 is a welding schedule showing still another example of the disclosed multi-stage spot welding method;

12 ist ein Schweißplan, der ein noch anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; und 12 Fig. 15 is a welding schedule showing still another example of the disclosed multi-stage spot welding method; and

13 ist ein Schweißplan, der ein noch anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt. 13 FIG. 13 is a welding schedule showing still another example of the disclosed multi-stage spot welding method. FIG.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Das Punktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines aluminiumbasierten Werkstückes (Aluminium oder Aluminiumlegierungen) stellt einige bemerkenswerte Herausforderungen dar, wie oben erörtert. Die Oberflächenoxidschicht(en), welche auf dem aluminiumbasierten Werkstück vorhanden ist/sind, ist/sind schwierig aufzubrechen und zu zerkleinern, was im Verlauf von traditionellen Punktschweißtechniken zu Schweißfehler an der Stoß-Grenzfläche in der Form von Mikrorissen und anderen Missverhältnissen führt, welche durch Restoxide verursacht werden. Außerdem weist das Stahlwerkstück einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand auf als das aluminiumbasierte Werkstück, was bedeutet, dass das Stahlwerkstück als eine Wärmequelle wirkt, während das aluminiumbasierte Werkstück als ein Wärmeleiter wirkt. Der zwischen den Werkstücken während des und genau nach dem elektrischen Stromfluss hergestellte resultierende thermische Gradient neigt dazu, eine Gasporosität und andere Missverhältnisse in dem Schweißschmelzbad, welche die Restoxid-Fehler umfassen, in Richtung und entlang der Stoß-Grenzfläche zu treiben, und trägt auch zur Bildung und zum Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Verbindungen an der Stoß-Grenzfläche in der Form einer oder mehrerer dünner Reaktionsschichten auf dem Stahlwerkstück bei. Es wurde ein mehrstufiges Punktschweißverfahren ersonnen, welches diese Probleme kompensiert und die Fähigkeit eines erfolgreichen und wiederholten Punktschweißens von Stahl- und aluminiumbasierten Werkstücken verbessert.Spot welding of a steel workpiece and an aluminum-based workpiece (aluminum or aluminum alloys) poses some noteworthy challenges, as discussed above. The surface oxide layer (s) present on the aluminum-based workpiece is / are difficult to break up and crush, which in the course of traditional spot welding techniques results in weld defects at the impact interface in the form of microcracks and other imperfections caused by Residual oxides are caused. In addition, the steel workpiece has a higher thermal and electrical resistance than the aluminum-based workpiece, which means that the steel workpiece acts as a heat source while the aluminum-based workpiece acts as a thermal conductor. The between the Workpieces during and exactly after the electrical current flow produced resulting thermal gradient tends to drive gas porosity and other mismatches in the weld pool, which include the residual oxide defects, in the direction and along the impact interface, and also contributes to the formation and Growth of brittle Fe-Al intermetallic compounds at the impact interface in the form of one or more thin reaction layers on the steel workpiece. A multi-stage spot welding process has been devised which compensates for these problems and improves the ability of successful and repeated spot welding of steel and aluminum based workpieces.

Das mehrstufige Punktschweißverfahren aktiviert das Steuern des zwischen entgegengesetzten Schweißelektroden und durch das Stahl- und das aluminiumbasierte Werkstück hindurch geleiteten elektrischen Stromes, um mehrere Stufen einer Schweißverbindungsentwicklung auszuführen. Die mehrere Stufen umfassen: (1) eine Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe, in der ein Schweißschmelzbad innerhalb des aluminiumbasierten Werkstückes initiiert und zum Wachsen gebracht wird; (2) eine Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe, in der zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad abkühlt und zu einer Schweißlinse erstarrt, die eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung bildet (die Schweißverbindung kann auch Schichten aus intermetallischen Verbindungen umfassen); (3) eine Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens, in der zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse erneut geschmolzen wird; (4) eine Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse, in der zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse abkühlt und erstarrt; und optional (5) eine Metallausstoßstufe, in der zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts der Schweißlinse entlang der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke ausgestoßen wird. Diese verschiedenen Stufen des offenbarten Verfahrens, insbesondere die Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens (Stufe 3) fungieren, um die nachteiligen Folgen der Schweißfehler in der Schweißlinse, von denen angenommen wird, dass sie die Schweißverbindung schwächen, zu verringern und diese zumindest teilweise auszumerzen. Das mehrstufige Punktschweißverfahren erhöht somit die Festigkeit, insbesondere die Abschälfestigkeit der schließlich gebildeten Schweißverbindung, die in Betrieb genommen wird.The multi-stage spot welding process activates the control of electrical current conducted between opposed welding electrodes and through the steel and aluminum-based workpieces to perform multiple stages of weld joint development. The multiple stages include: (1) a weld pool growth stage in which a weld pool within the aluminum-based workpiece is initiated and allowed to grow; (2) a molten pool solidification stage in which the molten weld pool is allowed to cool and solidify into a weld nugget that forms all or part of a weld joint (the weld joint may also include layers of intermetallic compounds); (3) a step of reflowing molten solder, in which at least a portion of the weld nugget is remelted; (4) a solidification stage of the reflowed weld nugget in which the reflowed portion of the weld nugget is allowed to cool and solidify; and optionally (5) a metal ejection stage in which at least a part of the remelted portion of the weld nugget is ejected along the butting interface of the workpieces. These various stages of the disclosed process, particularly the reflow melt stage (stage 3), function to reduce and at least partially eliminate the adverse consequences of welding defects in the weld nugget which are believed to weaken the weld joint. The multi-stage spot welding process thus increases the strength, in particular the peel strength of the finally formed welded joint which is put into operation.

Die 1–7 illustrieren exemplarische Ausführungsformen des mehrstufigen Punktschweißverfahrens, wie an einem Werkstückstapel 10 mittels einer Schweißpistole 18 ausgeführt wird, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet ist, um Punktschweißanwendungen gemäß einem programmierten Schweißplan auszuführen. Der Werkstückstapel 10 umfasst zumindest ein Stahlwerkstück 12 und ein aluminiumbasiertes Werkstück 14. Wie hier in den 1–2 gezeigt, kann der Werkstückstapel 10 z. B. nur das Stahl- und das aluminiumbasierte Werkstück 10, 12 umfassen. Selbstverständlich können auch andere Metallwerkstücke in dem Stapel 10 enthalten sein, wenngleich hier nicht gezeigt, z. B. ein zusätzliches Stahlwerkstück oder ein zusätzliches aluminiumbasiertes Werkstück. Der Ausdruck „Werkstück” und seine Stahl- und aluminiumbasierten Varianten werden in der vorliegenden Offenbarung 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.The 1 - 7 illustrate exemplary embodiments of the multi-stage spot welding process, such as on a stack of workpieces 10 by means of a welding gun 18 which is mechanically and electrically configured to perform spot welding applications according to a programmed welding schedule. The workpiece stack 10 includes at least one steel workpiece 12 and an aluminum-based workpiece 14 , Like here in the 1 - 2 shown, the workpiece stack can 10 z. B. only the steel and the aluminum-based workpiece 10 . 12 include. Of course, other metal workpieces in the stack 10 be included, although not shown here, for. B. an additional steel workpiece or an additional aluminum-based workpiece. The term "workpiece" and its steel and aluminum based variants are widely used in the present disclosure to refer to a sheet metal sheet, casting, continuous casting, or any other part that is resistance point weldable, including any surface layers or coatings, if any available.

Das Stahlwerkstück 12 kann ein beschichteter oder ein unbeschichteter Stahl sein. Solche Werkstücke umfassen galvanisierten (zinkbeschichteten) kohlenstoffarmen Stahl, kohlenstoffarmen unlegierten Stahl, galvanisierten, modernen, hochfesten unlegierten Stahl (AHSS, vom engl. advanced high strength steel), hochfesten, niedriglegierten (HSLA, vom engl. high-strength low alloy)-Stahl und heißgeprägten Borstahl. Einige spezifische Arten von Stahl, die in dem Stahlwerkstück 12 verwendet werden können, sind „Interstitial-free”(IF)-Stahl, Dualphasen(DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity”(TRIP)-Stahl und pressgehärteter Stahl (PHS vom engl. press hardened steel). Was das aluminiumbasierte Werkstück 14 betrifft, kann es (eine) beschichtete(s) oder unbeschichtete(s) Aluminium oder Aluminiumlegierung sein. Aluminiumlegierungen enthalten 85 Gew.-% oder mehr Aluminium – z. B. Aluminiumlegierungen der Serien 5XXX, 6XXX und 7XXX – und können in vielen verschiedenen Härtegraden verwendet werden. Einige Arten von Aluminiumlegierungen, die verwendet werden können, umfassen eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung, von denen jede mit Zink beschichtet sein kann, oder eine Konversionsbeschichtung, um das Klebevermögen zu verbessern, falls erwünscht. Einige spezifische Aluminiumlegierungen, die in dem aluminiumbasierten Werkstück 14 verwendet werden können, sind die Aluminium-Magnesium-Legierungen AA5754 und AA5182, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen AA6111 und AA6022 und die Aluminium-Zink-Legierung AA7003 und 7055.The steel workpiece 12 may be a coated or uncoated steel. Such workpieces include galvanized (zinc coated) low carbon steel, low carbon unalloyed steel, electroplated, advanced high strength, high alloy steel (AHSS), high strength low alloy (HSLA) steel and hot stamped boron steel. Some specific types of steel used in the steel workpiece 12 "Interstitial free" (IF) steel, dual phase (DP) steel, "Transformation Induced Plasticity" (TRIP) steel, and press hardened steel (PHS). What the aluminum-based workpiece 14 may be coated or uncoated aluminum or aluminum alloy. Aluminum alloys contain 85% by weight or more of aluminum - e.g. Aluminum alloys of the 5XXX, 6XXX and 7XXX series - and can be used in many different degrees of hardness. Some types of aluminum alloys that may be used include an aluminum-magnesium alloy, an aluminum-silicon alloy, an aluminum-magnesium-silicon alloy, an aluminum-zinc alloy, any of which may be zinc-plated, or a conversion coating to improve the adhesiveness, if desired. Some specific aluminum alloys used in the aluminum-based workpiece 14 The aluminum-magnesium alloys AA5754 and AA5182, the aluminum-magnesium-silicon alloys AA6111 and AA6022, and the aluminum-zinc alloys AA7003 and 7055 can be used.

Das Stahl- und das aluminiumbasierte Werkstück 12, 14 werden zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle 16 mit der Schweißpistole 18 in überlappender Weise zusammengesetzt. Wenn es zum Punktschweißen aufgestapelt ist, umfasst das Stahlwerkstück 12 eine Stoßfläche 20 und eine Außenfläche 22. Gleichermaßen umfasst das aluminiumbasierte Werkstück 14 eine Stoßfläche 24 und eine Außenfläche 26. Die Stoßflächen 20, 24 der beiden Werkstücke 12, 14 überlappen einander und stehen miteinander in Kontakt, um eine Stoß-Grenzfläche 28 an der Schweißstelle 16 vorzusehen. Die Stoß-Grenzfläche 28, wie hierin verwendet, umfasst Fälle eines direkten Kontakts zwischen den Stoßflächen 20, 24 der Werkstücke 12, 14 wie auch Fälle eines indirekten Kontakts, in welchen die Stoßflächen 20, 24 sich nicht berühren, aber in hinreichend enger Nähe zueinander sind – so wie wenn eine dünne Schicht eines Klebers, eines Dichtmittels oder eines anderen dazwischen liegenden Materials vorhanden ist – sodass ein Widerstandspunktschweißen noch immer ausgeführt werden kann. Die Außenflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 sind andererseits in entgegengesetzten Richtungen voneinander abgewandt. Jedes von dem Stahl- und dem aluminiumbasierten Werkstück 12, 14 weist bevorzugt eine Dicke 120, 140 auf, die in einem Bereich von etwa 0,3 mm bis etwa 6,0 mm und stärker bevorzugt von etwa 0,5 mm bis etwa 3,0 mm zumindest an der Schweißstelle 16 liegt. Die Dicken 120, 140 der Werkstücke 12, 14 können, müssen aber nicht die gleichen sein.The steel and the aluminum-based workpiece 12 . 14 are used for resistance spot welding at a predetermined weld 16 with the welding gun 18 assembled in an overlapping manner. When stacked for spot welding, the steel workpiece includes 12 an impact surface 20 and an outer surface 22 , Likewise, the aluminum-based workpiece includes 14 an impact surface 24 and an outer surface 26 , The abutment surfaces 20 . 24 of the two workpieces 12 . 14 overlap each other and stand in contact with each other to create a shock interface 28 at the weld 16 provided. The impact interface 28 As used herein includes cases of direct contact between the abutment surfaces 20 . 24 the workpieces 12 . 14 as well as cases of indirect contact in which the abutment surfaces 20 . 24 Do not touch, but in sufficiently close proximity to each other - as if a thin layer of adhesive, sealant or other intermediate material is present - so that a resistance spot welding can still be performed. The outer surfaces 22 . 26 of steel and aluminum alloy workpiece 12 . 14 On the other hand, they face away from each other in opposite directions. Each of the steel and the aluminum-based workpiece 12 . 14 preferably has a thickness 120 . 140 in the range of about 0.3 mm to about 6.0 mm, and more preferably from about 0.5 mm to about 3.0 mm, at least at the weld 16 lies. The thicknesses 120 . 140 the workpieces 12 . 14 but may not be the same.

Die Schweißpistole 18 ist in 1 schematisch gezeigt und ist ein Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes innerhalb einer Produktionsumgebung.The welding gun 18 is in 1 shown schematically and is part of a larger automated welding process within a production environment.

Die Schweißpistole 18 kann z. B. an einem Roboter befestigt sein, der in der Nähe eines Förderbandes oder einer anderen Transporteinrichtung positioniert ist, welche eingerichtet ist, um den Werkstückstapel 10 (wie auch andere, die diesen gleichen, und andere, die diesem nicht gleichen) an die Schweißpistole 18 zu liefern. Der Roboter kann gebaut sein, um die Schweißpistole 18 entlang des Werkstückstapels 10 zu bewegen, sobald er geliefert wurde, sodass eine schnelle Abfolge von Punktschweißnähten an vielen verschiedenen Schweißstellen 16 gebildet werden kann. Die Schweißpistole 18 kann auch eine feststehende Sockelschweißpistole sein, in welcher der Werkstückstapel 10 gehandhabt und in Bezug auf die Schweißpistole 18 bewegt wird, um die Bildung mehrerer Punktschweißnähte an verschiedenen Schweißstellen 16 um den Stapel 10 herum zu ermöglichen. Die Schweißpistole 18 soll selbstverständlich für andere Arten und Anordnungen von Schweißpistolen stehen, die an dieser Stelle nicht speziell erwähnt oder beschrieben sind, sofern sie zum Punktschweißen des Werkstückstapels 10 gemäß dem vorgeschriebenen mehrstufigen Punktschweißverfahren in der Lage sind.The welding gun 18 can z. B. attached to a robot which is positioned in the vicinity of a conveyor belt or other transport means which is adapted to the workpiece stack 10 (as well as others who are the same and others who do not resemble it) to the welding gun 18 to deliver. The robot can be built to the welding gun 18 along the workpiece stack 10 once delivered, allowing a quick succession of spot welds at many different welds 16 can be formed. The welding gun 18 may also be a fixed base welding gun, in which the workpiece stack 10 handled and in relation to the welding gun 18 is moved to the formation of multiple spot welds at different welds 16 around the pile 10 to allow around. The welding gun 18 should of course be for other types and arrangements of welding guns, which are not specifically mentioned or described at this point, provided they are used for spot welding of the workpiece stack 10 according to the prescribed multi-stage spot welding process.

Die Schweißpistole 18 umfasst einen ersten Pistolenarm 30 und einen zweiten Pistolenarm 32, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Punktschweißnähte gemäß einem definierten Schweißplan zu bilden. Der erste Pistolenarm 30 weist eine erste Elektrodenhalterung 34 auf, welche eine erste Punktschweißelektrode 36 festhält, und der zweite Pistolenarm 32 weist eine zweite Elektrodenhalterung 38 auf, welche eine zweite Punktschweißelektrode 40 festhält. Die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40 sind jeweils bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z. B. einer Kupferlegierung gebildet. Ein spezifisches Beispiel ist eine Zirkonium-Kupfer-Legierung (ZrCu), die etwa 0,10 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Zirkonium und als Rest Kupfer enthält. Kupferlegierungen, welche diese Bestandteilzusammensetzung erfüllen und mit C15000 bezeichnet werden, sind bevorzugt. Es können auch andere Kupferlegierungszusammensetzungen verwendet werden, die geeignete mechanische und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften besitzen.The welding gun 18 includes a first gun arm 30 and a second gun arm 32 which are mechanically and electrically configured to repeatedly form spot welds according to a defined weld schedule. The first gun arm 30 has a first electrode holder 34 on which a first spot welding electrode 36 holds, and the second gun arm 32 has a second electrode holder 38 on which a second spot welding electrode 40 holds. The first and second spot welding electrodes 36 . 40 are each preferably made of an electrically conductive material such. B. a copper alloy formed. A specific example is a zirconium-copper alloy (ZrCu) containing about 0.10 wt% to about 0.20 wt% zirconium and the remainder copper. Copper alloys which satisfy this constituent composition and are designated C15000 are preferred. Other copper alloy compositions may also be used which have suitable mechanical and electrical conductivity properties.

Die erste Punktschweißelektrode 36 umfasst eine erste Schweißfläche 42, und die zweite Punktschweißelektrode 40 umfasst eine zweite Schweißfläche 44. Die Schweißflächen 42, 44 der ersten und der zweiten Punktschweißelektrode 36, 40 sind die Abschnitte der Elektroden 36, 40, die während eines Punktschweißvorganges gegen und in entgegengesetzte Seiten des Werkstückstapels 10, welche hier die Außenflächen 22, 26 der Werkstücke 12, 14 sind, ge- bzw. eingepresst werden. Für jede Punktschweißelektrode 36, 40 kann ein umfassender Bereich von Elektrodenschweißflächen-Konstruktionen angewendet werden. Jede der Schweißflächen 42, 44 kann flach oder gewölbt sein und kann ferner Oberflächenmerkmale (z. B. eine Oberflächenrauigkeit, geringelte Merkmale, ein Plateau etc.) umfassen, wie z. B. in den U.S.-Patenten Nr. 6,861,609 , 8,222,560 , 8,274,010 , 8,436,269 , und 8,525,066 , und U.S. Pat. Veröffentlichungs-Nr. 2009/025 5 908 beschrieben. Auch ein Mechanismus zum Kühlen der Elektroden 36, 40 mit Wasser ist in der Regel in die Pistolenarme 30, 32 und die Elektrodenhalterungen 34, 38 eingebaut, um die Temperaturen der Punktschweißelektroden 36, 40 zu beeinflussen.The first spot welding electrode 36 includes a first welding surface 42 , and the second spot welding electrode 40 includes a second welding surface 44 , The welding surfaces 42 . 44 the first and second spot welding electrodes 36 . 40 are the sections of the electrodes 36 . 40 during a spot welding operation against and into opposite sides of the workpiece stack 10 , which here are the outer surfaces 22 . 26 the workpieces 12 . 14 are, be pressed or pressed. For every spot welding electrode 36 . 40 For example, a wide range of electrode weldment designs can be used. Each of the welding surfaces 42 . 44 may be flat or domed, and may further include surface features (eg, surface roughness, curled features, a plateau, etc.), such as surface roughness. Tie U.S. Pat. Nos. 6,861,609 . 8,222,560 . 8,274,010 . 8,436,269 , and 8,525,066 , and US Pat. Publication no. 2009/025 5 908 described. Also a mechanism for cooling the electrodes 36 . 40 with water is usually in the gun arms 30 . 32 and the electrode holders 34 . 38 built-in to the temperatures of the spot welding electrodes 36 . 40 to influence.

Die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40 können die gleiche allgemeine Ausgestaltung gemeinsam haben oder eine unterschiedliche aufweisen. Beispielsweise kann die Schweißfläche 42, 44 jeder Punktschweißelektrode 36, 40 einen Durchmesser zwischen 5 mm und 20 mm oder schmaler zwischen 8 mm und 12 mm und einen Krümmungsradius zwischen 5 und flach oder schmaler zwischen 20 mm und 50 mm aufweisen. Jede Schweißfläche 42, 44 kann ferner eine Reihe von radial beabstandeten geringelten Erhebungen umfassen, die von einer Grundfläche der Schweißfläche 42, 44 nach außen vorstehen. Solch eine Elektrodenschweißflächenbauform ist ganz zweckdienlich, wenn sie in Kontakt gegen ein aluminiumbasiertes Werkstück gepresst wird, da die geringelten Erhebungen fungieren, um die Oberflächenoxidschicht(en) auf dem aluminiumbasierten Werkstück auseinanderzuziehen und aufzubrechen, um einen besseren elektrischen und mechanischen Kontakt an der Elektrode/Werkstück-Anschlussstelle herzustellen. Die gleiche Elektrodenschweißflächenbauform ist hauptsächlich infolge des Krümmungsradius auch in der Lage, effizient zu fungieren, wenn sie in Kontakt gegen das Stahlwerkstück gepresst wird. Die geringelten Erhebungen haben nur einen geringen Effekt auf die Stromübernahme durch das Stahlwerkstück hindurch und werden eigentlich durch die Belastungen in Verbindung damit, dass sie während des Punktschweißens gegen ein Stahlwerkstück gepresst werden, schnell deformiert. In anderen Ausführungsformen können herkömmliche Stahl- und aluminiumbasierte Punktschweißelektroden, wie sie Fachleuten bekannt sind, als die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36 bzw. 40 einschließlich Kugel-, gewölbte und flache Punktschweißelektroden verwendet werden.The first and second spot welding electrodes 36 . 40 may have the same general design in common or have a different. For example, the welding surface 42 . 44 every spot welding electrode 36 . 40 have a diameter between 5 mm and 20 mm or narrower between 8 mm and 12 mm and a radius of curvature between 5 and flat or narrow between 20 mm and 50 mm. Every welding surface 42 . 44 may further comprise a series of radially spaced hooped elevations extending from a footprint of the weld face 42 . 44 protrude outward. Such an electrode welding surface design is quite useful when pressed into contact with an aluminum-based workpiece because the hillocks function to form the surface oxide layer (s) the aluminum-based workpiece to break apart and break up to produce a better electrical and mechanical contact at the electrode / workpiece interface. The same electrode weld area design is also able to function efficiently when pressed against the steel workpiece, mainly due to the radius of curvature. The hooped bumps have little effect on the power transfer through the steel workpiece and are actually rapidly deformed by the stresses associated with being pressed against a steel workpiece during spot welding. In other embodiments, conventional steel and aluminum based spot welding electrodes, as known to those skilled in the art, may be used as the first and second spot welding electrodes 36 respectively. 40 including spherical, domed and flat spot welding electrodes.

Die Schweißpistolenarme 30, 32 sind während des Punktschweißens betreibbar, um die Schweißflächen 42, 44 der Punktschweißelektroden 36, 40 gegen entgegengesetzte Seiten des Werkstückstapels 10 zu pressen. Hier sind die entgegengesetzten Seiten des Werkstückstapels 10, wie in den 1–2 gezeigt, die entgegengesetzt gewandten Außenflächen 22, 26 der überlappenden Stahl- und aluminiumbasierten Werkstücke 12, 14. In dieser illustrierten Ausführungsform weisen beispielsweise der erste und der zweite Pistolenarm 30, 32 ungefähr orthogonale Längsachsen auf, und der erste Pistolenarm 30 ist durch einen Aktuator 24 wie z. B. einen Luftzylinder oder einen Stellmotor entlang seiner Längsachse in Richtung des zweiten Pistolenarmes 32 bewegbar. Eine Aktuatorsteuerung 48 kann bewirken, dass Druckluft zu dem Aktuator 46 geliefert wird, wenn der Aktuator 46 ein Luftzylinder ist, oder sie kann bewirken, dass Strom/Spannung an den Aktuator 46 geliefert wird, wenn der Aktuator 46 ein Stellmotor ist, um den ersten Pistolenarm 30 wie vorgesehen zu bewegen, um die Schweißflächen 42, 44 gegen entgegengesetzte Seiten des Werkstückstapels 10 (die Flächen 22, 26) zu pressen und die gewünschte Klemmkraft anzuwenden. Die erste und die zweite Schweißfläche 42, 44 werden in der Regel in diametraler Ausrichtung miteinander an der Schweißstelle 16 gegen ihre jeweiligen Außenflächen 22, 26 gepresst.The welding gun arms 30 . 32 are operable during spot welding to weld surfaces 42 . 44 the spot welding electrodes 36 . 40 against opposite sides of the workpiece stack 10 to squeeze. Here are the opposite sides of the workpiece stack 10 as in the 1 - 2 shown, the oppositely facing outer surfaces 22 . 26 the overlapping steel and aluminum based workpieces 12 . 14 , For example, in this illustrated embodiment, the first and second gun arms 30 . 32 approximately orthogonal longitudinal axes, and the first gun arm 30 is through an actuator 24 such as B. an air cylinder or a servomotor along its longitudinal axis in the direction of the second gun arm 32 movable. An actuator control 48 may cause compressed air to the actuator 46 is delivered when the actuator 46 An air cylinder is or it can cause current / voltage to the actuator 46 is delivered when the actuator 46 a servomotor is around the first gun arm 30 as intended to move to the welding surfaces 42 . 44 against opposite sides of the workpiece stack 10 (the surfaces 22 . 26 ) and apply the desired clamping force. The first and the second welding surface 42 . 44 are usually in diametrical alignment with each other at the weld 16 against their respective outer surfaces 22 . 26 pressed.

Die Schweißpistole 18 ist auch ausgestaltet, um einen elektrischen Strom zwischen die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40 – und durch den Werkstückstapel 10 an der Schweißstelle 16 hindurch – zu leiten, wenn die Schweißflächen 42, 44 der Elektroden 36, 40 gegen die entgegengesetzten Seiten des Stapels 10 gepresst werden. Der elektrische Strom kann von einer steuerbaren Leistungsversorgung 50 an die Schweißpistole 18 geliefert werden. Die Leistungsversorgung 50 ist bevorzugt eine Mittelfrequenz-Gleichstrom(MFDC)-Leistungsversorgung, die mit den Punktschweißelektroden 36, 40 elektrisch verbunden ist. Eine MFDC-Leistungsversorgung umfasst allgemein einen Transformator und einen Gleichrichter. Der Transformator „transformiert” eine Eingangs-Wechselstromspannung – üblicherweise etwa 1000 Hz – „herunter”, um einen Wechselstrom mit niedrigerer Spannung und höherer Stromstärke zu erzeugen, der dann dem Gleichrichter zugeführt wird, wo eine Zusammenstellung von Halbleiterdioden den gelieferten Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt. Solch eine Leistungsversorgungskomponente ist im Handel von einer Anzahl von Lieferanten einschließlich ARO Welding Technologies (US-Headquarter in Chesterfield Township, MI) und Bosch Rexroth (US-Headquarter in Charlotte, NC) erhältlich.The welding gun 18 is also configured to provide an electrical current between the first and second spot welding electrodes 36 . 40 - and through the stack of workpieces 10 at the weld 16 through - to conduct when the welding surfaces 42 . 44 the electrodes 36 . 40 against the opposite sides of the stack 10 be pressed. The electric power can be from a controllable power supply 50 to the welding gun 18 to be delivered. The power supply 50 is preferably a medium frequency direct current (MFDC) power supply connected to the spot welding electrodes 36 . 40 electrically connected. An MFDC power supply generally includes a transformer and a rectifier. The transformer "down-converts" an input AC voltage, typically about 1000 Hz, to produce a lower voltage, higher current AC current, which is then fed to the rectifier, where a collection of semiconductor diodes converts the AC power supplied to a DC current , Such a power supply component is commercially available from a number of suppliers including ARO Welding Technologies (US headquarters in Chesterfield Township, MI) and Bosch Rexroth (US headquarters in Charlotte, NC).

Die Leistungsversorgung 50 wird durch einen Schweißcontroller 52 gemäß einem programmierten Schweißplan gesteuert. Der Schweißcontroller 52, der mit der Aktuatorsteuerung 48 (mithilfe eines nicht gezeigten Mittels) zusammenwirkt, koppelt an die Leistungsversorgung 50 an und legt den angewendeten Strompegel sowie die angewendete Stromdauer und Stromart (konstant, gepulst etc.) des zwischen die Punktschweißelektroden 36, 40 geleiteten elektrischen Stromes fest, um das mehrstufige Punktschweißverfahren auszuführen. Insbesondere weist der Schweißcontroller 52 die Leistungsversorgung 50 an, elektrischen Strom zu liefern, sodass die verschiedenen Stufen der in dem mehrstufigen Punktschweißverfahren geforderten Schweißverbindungsentwicklung bewerkstelligt werden. Die Stufen des mehrstufigen Schweißverfahrens umfassen, wie oben erwähnt, (1) die Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe, (2) die Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe, (3) die Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens, (4) die Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse und optional (5) die Metallausstoßstufe, wobei jede davon nachfolgend in näherem Detail erklärt wird.The power supply 50 is through a welding controller 52 controlled according to a programmed welding schedule. The welding controller 52 that with the actuator control 48 (using a means, not shown) cooperates, couples to the power supply 50 and sets the applied current level as well as the applied current duration and current type (constant, pulsed, etc.) of the between the spot welding electrodes 36 . 40 conducted electric current to perform the multi-stage spot welding process. In particular, the welding controller has 52 the power supply 50 to provide electrical power to accomplish the various stages of weld joint development required in the multi-stage spot welding process. The stages of the multi-stage welding process include, as mentioned above, (1) the molten pool growth stage, (2) the molten pool solidification stage, (3) the reflow melt stage, (4) the reflow stage of the reflowed nugget, and optionally (5) the metal ejection stage, each of which will be explained in more detail below.

Nunmehr Bezug nehmend auf die 3–7 ist das mehrstufige Punktschweißverfahren einschließlich seiner verschiedenen Stufen der Schweißverbindungsentwicklung in einer allgemeinen, schematischen Weise illustriert. Zunächst wird der Werkstückstapel 10 zwischen der ersten und der zweiten Punktschweißelektrode 36, 40 angeordnet, sodass die Schweißstelle 16 allgemein mit den entgegengesetzten Schweißflächen 42, 44 ausgerichtet ist. Der Werkstückstapel 10 kann an solch einen Ort gebracht werden, wie es oft der Fall ist, wenn die Pistolenarme 30, 32 Teil eines feststehenden Sockelschweißgeräts sind, oder die Pistolenarme 30, 32 können robotertechnisch bewegt werden, um die Elektroden 36, 40 bezüglich der Schweißstelle 16 anzuordnen. Sobald der Stapel 10 korrekt angeordnet ist, nähern sich der erste und der zweite Pistolenarm 30, 32 relativ aufeinander, um die Schweißflächen 42, 44 der ersten und der zweiten Schweißelektrode 36, 40 mit entgegengesetzten Seiten des Stapels 10 an der Schweißstelle 16, welche in dieser Ausführungsform die entgegengesetzt gewandten Außenflächen 22, 26 des Stahl- und des aluminiumbasierten Werkstückes 12, 14 sind, in Kontakt zu bringen und gegen diese zu pressen, wie in 3 gezeigt. Nach dem Herstellen des Kontakts mit dem Werkstückstapel 10 unter Druck drücken die erste und die zweite Schweißfläche 42, 44 in ihre jeweiligen entgegengesetzten Seitenflächen des Stapels 10 ein. Die von die entgegengesetzten Schweißflächen 42, 44 stammenden resultierenden Vertiefungen werden hier als eine erste Aufstandsfläche 54 und eine zweite Aufstandsfläche 56 bezeichnet.Referring now to the 3 - 7 the multi-stage spot welding process including its various stages of weld joint development is illustrated in a general schematic manner. First, the workpiece stack 10 between the first and second spot welding electrodes 36 . 40 arranged so that the weld 16 generally with the opposite welding surfaces 42 . 44 is aligned. The workpiece stack 10 can be brought to such a location as is often the case when the pistol arms 30 . 32 Part of a fixed base welder, or the gun arms 30 . 32 can be robotically moved to the electrodes 36 . 40 concerning the weld 16 to arrange. Once the pile 10 correctly positioned, the first and second gun arms approach each other 30 . 32 relative to each other to the welding surfaces 42 . 44 the first and the second welding electrode 36 . 40 with opposite sides of the stack 10 at the weld 16 , which in this embodiment, the oppositely facing outer surfaces 22 . 26 of steel and aluminum-based workpiece 12 . 14 are to bring into contact and press against them, as in 3 shown. After making contact with the workpiece stack 10 under pressure, the first and second welding surfaces are pressed 42 . 44 into their respective opposite side surfaces of the stack 10 one. The from the opposite welding surfaces 42 . 44 resulting pits are referred to herein as a first footprint 54 and a second footprint 56 designated.

Die Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe wird eingeleitet, sobald die Punktschweißelektroden 36, 40 an der Schweißstelle 16 gegen den Werkstückstapel 10 gepresst werden. Während der Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe wird ein Schweißschmelzbad 58 innerhalb des aluminiumbasierten Werkstückes 14 initiiert und zum Wachsen gebracht, wie in 3 schematisch abgebildet. Das Schweißschmelzbad 58 erstreckt sich von der Stoß-Grenzfläche 28 der Werkstücke 12, 14 bis in das aluminiumbasierte Werkstück 14. Und es ist vorwiegend aus einer aluminiumbasierten Materialschmelze aus dem aluminiumbasierten Werkstück 14 zusammengesetzt, da das Stahlwerkstück 12 in der Regel nicht schmilzt. Das Schweißschmelzbad 58 kann eine Distanz in das aluminiumbasierte Werkstück 14 eindringen, die in einem Bereich von 20% bis 100% (d. h., die gesamte Strecke durch das aluminiumbasierte Werkstück 14 hindurch) der Dicke 140 des aluminiumbasierten Werkstückes 14 an der Schweißstelle 16 liegt. Die Dicke 140 des aluminiumbasierten Werkstückes 14 an der Schweißstelle 16 ist in der Regel infolge der Vertiefung der zweiten Aufstandsfläche 56 auf dem Werkstückstapel 10 kleiner als die Dicke außerhalb der Schweißstelle 16. Der Anteil des Schweißschmelzbades 58 benachbart zu der Stoß-Grenzfläche 28 benetzt demzufolge die Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12.The weld pool growth stage is initiated as soon as the spot weld electrodes 36 . 40 at the weld 16 against the workpiece stack 10 be pressed. During the weld pool growth stage, a weld pool melts 58 within the aluminum-based workpiece 14 initiated and brought to growth, as in 3 shown schematically. The welding pool 58 extends from the impact interface 28 the workpieces 12 . 14 into the aluminum-based workpiece 14 , And it is predominantly made of an aluminum-based molten material from the aluminum-based workpiece 14 composed as the steel workpiece 12 usually does not melt. The welding pool 58 can be a distance in the aluminum-based workpiece 14 penetrate in a range of 20% to 100% (ie, the entire distance through the aluminum-based workpiece 14 through) the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld 16 lies. The fat 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld 16 is usually due to the deepening of the second footprint 56 on the workpiece stack 10 smaller than the thickness outside the weld 16 , The proportion of the welding pool 58 adjacent to the impact interface 28 thus wets the impact surface 20 of the steel workpiece 12 ,

Das Schweißschmelzbad 58 wird initiiert und zum Wachsen gebracht, indem ein elektrischer Strom für eine erste Zeitspanne zwischen die Punktschweißelektroden 36, 40 und durch die Werkstücke 14, 14 hindurch und über ihre Stoß-Grenzfläche 28 hinweg geleitet wird. Der Widerstand gegenüber dem Fluss des elektrischen Stromes durch die Werkstücke 12, 14 hindurch und über die Stoß-Grenzfläche 28 hinweg erzeugt Wärme und erwärmt anfänglich das Stahlwerkstück 12 schneller als das aluminiumbasierte Werkstück 14. Die erzeugte Wärme initiiert schließlich das Schweißschmelzbad 58 und setzt dann fort, um das Schweißschmelzbad 58 bis zu seiner gewünschten Größe zum Wachsen zu bringen. Tatsächlich initiiert das Schweißschmelzbad 58 zu Beginn des elektrischen Stromflusses, wenn die zweite Aufstandsfläche 56 die kleinste Fläche aufweist und die Stromdichte am höchsten ist, rasch und wächst schnell und dringt in das aluminiumbasierte Werkstück 14 ein. Da die Fläche der durch die Schweißfläche 44 der zweiten Schweißelektrode 40 gebildeten zweiten Aufstandsfläche 56 im Verlauf des elektrischen Stromflusses größer wird, nimmt die elektrische Stromdichte ab und das Schweißschmelzbad 58 wächst in der Nähe der Stoß-Grenzfläche 28 mehr seitlich.The welding pool 58 is initiated and caused to grow by applying an electric current for a first period of time between the spot welding electrodes 36 . 40 and through the workpieces 14 . 14 through and across their impact interface 28 passed away. The resistance to the flow of electric current through the workpieces 12 . 14 through and across the impact interface 28 It generates heat and initially heats the steel workpiece 12 faster than the aluminum-based workpiece 14 , The generated heat eventually initiates the weld pool 58 and then continues to the weld pool 58 to grow to its desired size. In fact, the molten pool initiates 58 at the beginning of the electric current flow, when the second footprint 56 has the smallest area and the current density is highest, quickly and grows rapidly and penetrates into the aluminum-based workpiece 14 one. Because the area of the welding surface 44 the second welding electrode 40 formed second footprint 56 becomes larger as the electric current flows, the electric current density decreases and the molten pool melts 58 grows near the impact interface 28 more sideways.

Wenn die Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe ausgeführt wird, hängen der Pegel des angewendeten elektrischen Stromes und die Dauer der ersten Zeitspanne von verschiedenen Faktoren ab. Die Hauptfaktoren, welche den elektrischen Strompegel und die Dauer beeinflussen, sind die Dicken 120, 140 des Stahl- und des aluminiumbasierten Werkstückes 12, 14 an der Schweißstelle 16 und die genauen Zusammensetzungen der Werkstücke 12, 14. Dennoch ist in einigen Fällen der während der Schweißbad-Wachstumsstufe durchgeleitete elektrische Strom ein konstanter Gleichstrom (DC), der einen Strompegel zwischen 4 kA und 40 kA aufweist, und die Dauer des elektrischen Stromflusses beträgt zwischen 50 ms und 500 ms. Alternativ kann der elektrische Strom gepulst sein, wobei im Verlauf der ersten Zeitspanne der durchgehende elektrische Strom aus einer Vielzahl von Stromimpulsen besteht. Jeder der Stromimpulse kann von 10 ms bis 200 ms dauern und einen Spitzenstrompegel zwischen 10 kA und 50 kA aufweisen, wobei Perioden mit null Stromfluss von 1 ms bis 100 ms zwischen den Impulsen dauern können. Es können selbstverständlich andere Strompegel und eine andere Dauer der ersten Zeitspanne verwendet werden, und tatsächlich werden Fachleute die Kenntnis besitzen und verstehen, wie diese Parameter entsprechend anzupassen sind, um der Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe gerecht zu werden.When the molten pool growth stage is performed, the level of the applied electric current and the duration of the first period depend on various factors. The main factors that influence the electrical current level and duration are the thicknesses 120 . 140 of steel and aluminum-based workpiece 12 . 14 at the weld 16 and the exact compositions of the workpieces 12 . 14 , However, in some cases, the electrical current conducted during the weld pool growth stage is a constant direct current (DC) having a current level between 4kA and 40kA, and the duration of the electrical current flow is between 50ms and 500ms. Alternatively, the electric current may be pulsed, wherein in the course of the first period of time, the continuous electric current consists of a plurality of current pulses. Each of the current pulses can last from 10 ms to 200 ms and have a peak current level between 10 kA and 50 kA, with periods of zero current flow ranging from 1 ms to 100 ms between pulses. Of course, other current levels and durations of the first period may be used, and indeed, those skilled in the art will be aware and understand how to adjust those parameters to accommodate the weld pool growth stage.

Nachdem das Schweißschmelzbad initiiert und zum Wachsen gebracht wurde, wird die Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe ausgeführt. Während der Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe wird zugelassen, dass das Schweißschmelzbad abkühlt und zu einer Schweißlinse 60 erstarrt, die eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung 62 bildet, wie in 4 illustriert. Das Abkühlen und Erstarren des Schweißschmelzbades 58 kann über eine zweite Zeitspanne in einer oder zweierlei Art und Weise realisiert werden. Als Erstes kann der Durchgang von elektrischem Strom zwischen der ersten und der zweiten Punktschweißelektrode 36, 40 beendet werden. Und als Zweites kann, wenn das Beenden des elektrischen Stromflusses insgesamt nicht erwünscht ist, ein elektrischer Strom mit einem verringerten Pegel zwischen die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40 geleitet werden, der nicht in der Lage wäre, den geschmolzenen Zustand des Schweißbades 58 aufrechtzuerhalten, um so zuzulassen, dass das Schweißschmelzbad 58 abkühlt und erstarrt, wenngleich bei einer langsameren Rate als wenn der elektrisch Stromfluss ganz beendet wird. Wiederum, wie zuvor, können die Dauer der zweiten Zeitspanne und des verringerten Strompegels (der zulässt, dass das Erstarren stattfindet) abhängig von den Dicken 120, 140 der Werkstücke 12, 14 an der Schweißstelle 16 und den tatsächlichen Zusammensetzungen der Werkstücke 12, 14 variieren. Das Einleiten eines elektrischen Stromes unter 5 kA oder Beenden des Stromes zwischen 50 ms und 1000 ms ist üblicherweise ausreichend, damit das Schweißschmelzbad 58 zu der Schweißlinse 60 erstarrt.After the weld pool is initiated and allowed to grow, the weld pool solidification stage is performed. During the weld pool solidification stage, the weld pool is allowed to cool and become a nugget 60 solidifies, a whole or a part of a welded joint 62 forms, as in 4 illustrated. The cooling and solidification of the welding bath 58 can be realized over a second period of time in one or two ways. First, the passage of electrical current between the first and second spot welding electrodes 36 . 40 to be ended. And second, if the termination of the electric current flow as a whole is not desired, a reduced level electric current between the first and second spot welding electrodes 36 . 40 who would not be able to handle the molten state the welding pool 58 so as to allow the weld pool 58 Cools and solidifies, albeit at a slower rate than when the electric current flow is completely stopped. Again, as before, the duration of the second time period and the reduced current level (which allows the solidification to take place) may vary depending on the thicknesses 120 . 140 the workpieces 12 . 14 at the weld 16 and the actual compositions of the workpieces 12 . 14 vary. The introduction of an electric current below 5 kA or termination of the current between 50 ms and 1000 ms is usually sufficient for the weld melt bath 58 to the weld nugget 60 stiffens.

Die Schweißlinse 60 erstreckt sich eine Distanz bis zu einer Eindringtiefe 64 von der Stoß-Grenzfläche 28 in das aluminiumbasierte Werkstück 14 hinein. Die Eindringtiefe 64 der Schweißlinse 60 kann in einem Bereich von 20% bis 100% (d. h., die gesamte Strecke durch das aluminiumbasierte Werkstück 14 hindurch) der Dicke 140 des aluminiumbasierten Werkstückes 14 an der Schweißstelle 16 liegen. Die Dicke 140 des aluminiumbasierten Werkstückes 14 an der Schweißstelle 16 ist, wie zuvor, in der Regel infolge der Vertiefung der zweiten Aufstandsfläche 56 auf dem Werkstückstapel 10 kleiner als die Dicke außerhalb der Schweißstelle 16. Außerdem definiert die Schweißlinse 60 eine Schweißbindungsfläche 66, wie in 7 gezeigt, die die Oberfläche der Schweißlinse 60 benachbart mit und gefügt an die Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12 über dazwischentretende intermetallische Fe-Al-Reaktionsschichten ist. Die Schweißbindungsfläche 66, wie in mm² angegeben, beträgt bevorzugt zumindest 4(π)(t), wobei „t” die Dicke 140 des aluminiumbasierten Werkstückes 14 in Millimetern an der Schweißstelle 16 vor der Entstehung der zweiten Aufstandsfläche 56 ist. Anders ausgedrückt ist bei der Berechnung der bevorzugten Schweißbindungsfläche 4(π)(t) die Dicke „t” des aluminiumbasierten Werkstückes 14 die ursprüngliche Dicke des Werkstückes 14 wie vor der Vertiefung der Schweißfläche 44 der zweiten Schweißelektrode 40 gemessen. Die Schweißbindungsfläche 66 kann durch Beeinflussen der Größe des in der Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe gewachsenen Schweißschmelzbades 58 wunschgemäß verändert werden.The nugget 60 extends a distance to a penetration depth 64 from the impact interface 28 in the aluminum-based workpiece 14 into it. The penetration depth 64 the weld nugget 60 can range from 20% to 100% (ie, the entire distance through the aluminum-based workpiece 14 through) the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld 16 lie. The fat 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld 16 is, as before, usually due to the depression of the second footprint 56 on the workpiece stack 10 smaller than the thickness outside the weld 16 , It also defines the weld nugget 60 a weld bonding surface 66 , as in 7 shown the surface of the weld nugget 60 adjacent to and joined to the abutment area 20 of the steel workpiece 12 about intervening Fe-Al intermetallic reaction layers. The weld bonding surface 66 , as indicated in mm ² , is preferably at least 4 (π) (t), where "t" is the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 in millimeters at the weld 16 before the emergence of the second footprint 56 is. In other words, in calculating the preferred weld bonding area 4 (π) (t), the thickness "t" of the aluminum-based workpiece is 14 the original thickness of the workpiece 14 as before the depression of the welding surface 44 the second welding electrode 40 measured. The weld bonding surface 66 can be determined by influencing the size of the weld pool grown in the weld pool growth stage 58 be changed as desired.

Die Schweißlinse 60 kann Schweißfehler umfassen, die an und entlang der Stoß-Grenzfläche 28 innerhalb der Schweißbindungsfläche 66 verteilt sind. Man nimmt an, dass diese Fehler – die Gasporosität, Schrumpfungshohlräume, Mikrorissbildung und Oberflächenoxidrückstände umfassen können – während des Erstarrens des Schweißschmelzbades 58 in Richtung der Stoß-Grenzfläche 58 gerissen werden, wo sie dazu neigen, die Festigkeit der Schweißverbindung 62, insbesondere die Abschälfestigkeit, zu schwächen, wie zuvor erklärt. Die Schweißverbindung 62 kann zusätzlich zu der Schweißlinse 60 auch eine oder mehrere dünne Reaktionsschichten aus intermetallischen Fe-Al-Verbindungen (nicht gezeigt) auf dem Stahlwerkstück 12 und benachbart zu der Stoß-Grenzfläche 28 umfassen, wie zuvor angegeben. Diese Schichten werden hauptsächlich als ein Ergebnis einer Reaktion zwischen dem Schweißschmelzbad 58 und dem Stahlwerkstück 12 bei Punktschweißtemperaturen produziert. Die eine oder mehreren Schichten aus intermetallischen Fe-Al-Verbindungen können intermetallische Verbindungen wie FeAl₃, Fe₂Al₅ wie auch andere umfassen, und ihre kombinierte Dicke liegt typischerweise in einem Bereich von 1 μm bis 10 μm. Man nimmt auch an, dass die harte und spröde Beschaffenheit der intermetallischen Fe-Al-Verbindungen die Festigkeit der gesamten Schweißverbindung 62 negativ beeinflusst.The nugget 60 may include welding defects at and along the impact interface 28 within the weld bonding area 66 are distributed. It is believed that these defects - which may include gas porosity, shrink cavities, microcracking and surface oxide residues - during the solidification of the weld pool 58 in the direction of the impact interface 58 be torn, where they tend to the strength of the welded joint 62 especially the peel strength, as explained above. The welded joint 62 can in addition to the weld nugget 60 also one or more thin reaction layers of intermetallic Fe-Al compounds (not shown) on the steel workpiece 12 and adjacent to the impact interface 28 include as previously stated. These layers are mainly as a result of a reaction between the molten pool 58 and the steel workpiece 12 produced at spot welding temperatures. The one or more layers of Fe-Al intermetallic compounds may include intermetallic compounds such as FeAl ₃ , Fe ₂ Al _5, as well as others, and their combined thickness is typically in a range of 1 μm to 10 μm. It is also believed that the hard and brittle nature of the Fe-Al intermetallic compounds strengthens the overall weld joint 62 negatively influenced.

Nachdem die Schweißverbindung 62 hergestellt wurde, wird die Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens ausgeführt. Während der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens wird zumindest ein Abschnitt 68 der Schweißlinse 60 erneut geschmolzen, wie in 5 abgebildet. Der erneut geschmolzene Abschnitt 68 der Schweißlinse 60 umfasst bevorzugt zumindest einen Teil der Schweißbindungsfläche 66, die während der Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe hergestellt wurde. Er erstreckt sich auch in der Regel nicht über die ganze Strecke bis zu der Eindringtiefe 64 der Schweißlinse 60. Die geringere Eindringung des erneut geschmolzenen Abschnitts 68 tritt zu dem Zeitpunkt der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens auf, zu dem sich die Schweißfläche 44 der zweiten Punktschweißelektrode 40 weiter in den Werkstückstapel 10 eingedrückt hat und die Größe der zweiten Aufstandsfläche 56 dementsprechend zugenommen hat, was bedeutet, dass ein elektrischer Strom über eine breitere Fläche zwischen die Punktschweißelektroden 36, 40 geleitet wird, was den Effekt hat, dass das erneute Schmelzen näher bei der Stoß-Grenzfläche 28 mit weniger Eindringung in das aluminiumbasierte Werkstück 14 begünstigt wird. Der erneut geschmolzene Abschnitt 68 der Schweißlinse 60 kann außerdem vollständig innerhalb der Schweißbindungsfläche 66 begrenzt sein, oder er kann die gesamte Schweißbindungsfläche 66 umschließen und sich tatsächlich mit frisch geschmolzenem Material von dem aluminiumbasierten Werkstück 14 außerhalb und benachbart zu der Schweißbindungsfläche 66 kombinieren, um eine vergrößerte Schweißbindungsfläche 70 (7) herzustellen. Die Fläche der vergrößerten Schweißbindungsfläche 70 kann, wenn sie erzeugt wird, um bis zu 50% größer sein als die Schweißbindungsfläche 66 der Schweißlinse 60 vor dem erneuten Schmelzen.After the weld 62 was prepared, the step of reflowing molten glass is carried out. During the rewelding stage, at least one section becomes 68 the weld nugget 60 remelted as in 5 displayed. The remelted section 68 the weld nugget 60 preferably comprises at least a part of the weld-bonding surface 66 produced during the molten pool solidification stage. It also usually does not extend all the way to the penetration depth 64 the weld nugget 60 , The lower penetration of the remelted section 68 occurs at the time of the refractory melting stage, to which the weld surface is added 44 the second spot welding electrode 40 further into the workpiece stack 10 has impressed and the size of the second footprint 56 has increased accordingly, which means that an electric current over a wider area between the spot welding electrodes 36 . 40 which has the effect of remelting closer to the impact interface 28 with less penetration into the aluminum-based workpiece 14 is favored. The remelted section 68 the weld nugget 60 can also be completely inside the weld bond area 66 limited or it can be the entire weld bond area 66 enclose and actually with freshly molten material from the aluminum-based workpiece 14 outside and adjacent to the weld bonding surface 66 combine to create an enlarged weld surface 70 ( 7 ). The area of the enlarged weld surface 70 when produced, may be up to 50% larger than the weld bonding area 66 the weld nugget 60 before remelting.

Die Schweißlinse 60 wird zumindest teilweise erneut geschmolzen, indem ein elektrischer Strom für eine dritte Zeitspanne nach der Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe zwischen die Punktschweißelektroden 36, 40 und durch die Werkstücke 12, 14 hindurch geleitet wird. Der Durchgang von elektrischem Strom erfolgt hier allgemein bei einem höheren Pegel als in der Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe, da die Schweißfläche 40 der zweiten Punktschweißelektrode 40 weiter in den Werkstückstapel 10 eingedrückt wird und die Stoß-Grenzfläche 28 weniger anfällig ist, Wärme innerhalb der Schweißstelle 16 zu erzeugen, da die Schweißverbindung 62 elektrisch leitfähiger als die unterschiedlichen, nicht gefügten Stoßflächen 20, 24 der Werkstücke 12, 14 ist. Wiederum sind der Pegel des angewendeten elektrischen Stromes und die Dauer der dritten Zeitspanne von den Dicken 120, 140 des Stahl- und des aluminiumbasierten Werkstückes 12, 14 an der Schweißstelle 16 und den genauen Zusammensetzungen der Werkstücke 12, 14 abhängig. In einigen Fällen kann der während der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens durchgeleitete elektrische Strom jedoch ein konstanter Gleichstrom (DC) sein, der einen Strompegel zwischen 10 kA und 50 kA aufweist, und die Dauer des elektrischen Stromflusses kann zwischen 100 ms und 2000 ms betragen. Der elektrische Strom kann auch gepulst sein. The nugget 60 is at least partially remelted by applying an electric current between the spot welding electrodes for a third period of time after the molten pool solidification step 36 . 40 and through the workpieces 12 . 14 is passed through. The passage of electrical current here is generally at a higher level than in the weld pool growth stage, since the weld area 40 the second spot welding electrode 40 further into the workpiece stack 10 is pressed in and the impact interface 28 less prone to heat within the weld 16 because the welded joint 62 more electrically conductive than the different non-joined abutment surfaces 20 . 24 the workpieces 12 . 14 is. Again, the level of the applied electric current and the duration of the third period are the thicknesses 120 . 140 of steel and aluminum-based workpiece 12 . 14 at the weld 16 and the exact compositions of the workpieces 12 . 14 dependent. However, in some cases, the electrical current conducted during the reflow melt stage may be a constant direct current (DC) having a current level between 10 kA and 50 kA, and the duration of the electrical current flow may be between 100 ms and 2000 ms. The electric current can also be pulsed.

Der während der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens gelieferte elektrische Strom, liegt bevorzugt in der Form von Stromimpulsen vor, welche in dem angewendeten Strompegel im Verlauf der dritten Zeitspanne zunehmen können oder nicht. Wie zuvor besteht der durchgehende elektrische Strom, wenn er gepulst ist, aus einer Vielzahl von Stromimpulsen, die über die dritte Zeitspanne geliefert werden. Jeder Stromimpuls kann von 10 ms bis 200 ms dauern und einen Spitzenstrompegel zwischen z. B. 15 kA und 50 kA aufweisen, wobei Perioden mit null Stromfluss von z. B. 1 ms bis 100 ms zwischen den Impulsen dauern können. Es kann auch gesagt werden, dass die Stromimpulse in dem angewendeten Strompegel zunehmen, wenn zumindest 75% der Stromimpulse und bevorzugt 100% einen Spitzenstrompegel erreichen, der höher ist als der Spitzenstrompegel des unmittelbar vorhergehenden Stromimpulses. Die Verwendung von Stromimpulsen kann in der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens aus verschiedenen Gründen praktiziert werden. In erster Linie hilft die Verwendung von Stromimpulsen dabei, ein übermäßiges Eindringen des erneut geschmolzenen Abschnitts 68 der Schweißlinse 60 zu verhindern, indem die Elektrode bzw. das Werkstück kühl gehalten wird, was auch den Vorteil hat, dass die Lebensdauer der zweiten Schweißelektrode 40 erhalten bleibt.The electrical current supplied during the reflow melt stage is preferably in the form of current pulses, which may or may not increase in the applied current level during the third time period. As before, when pulsed, the continuous electrical current consists of a plurality of current pulses delivered over the third period of time. Each current pulse can last from 10 ms to 200 ms and a peak current level between z. B. 15 kA and 50 kA, wherein periods with zero current flow of z. B. 1 ms to 100 ms between the pulses can last. It can also be said that the current pulses in the applied current level increase when at least 75% of the current pulses, and preferably 100%, reach a peak current level which is higher than the peak current level of the immediately preceding current pulse. The use of current pulses can be practiced in the rewelding stage for various reasons. Primarily, the use of current pulses helps prevent over-penetration of the remelted section 68 the weld nugget 60 to prevent by the electrode or the workpiece is kept cool, which also has the advantage that the life of the second welding electrode 40 preserved.

Man nimmt an, dass das erneute Schmelzen der Schweißlinse 60 die Festigkeit einschließlich der Abschälfestigkeit der schließlich gebildeten Schweißverbindung 62 positiv beeinflusst, die in Betrieb genommen wird. Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, geht man davon aus, dass das erneute Schmelzen der Schweißlinse 60, insbesondere der Schweißbindungsfläche 66, an der Stoß-Grenzfläche 28 die verschiedenen Schweißfehler, die während des Erstarrens des Schweißschmelzbades 58 zu und entlang der Stoß-Grenzfläche 28 getrieben werden, ausputzt, wodurch die Fähigkeit der Schweißlinse 60 verbessert wird, mit der Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12 zu binden. Man geht z. B. davon aus, dass die Schaffung des erneut geschmolzenen Abschnitts 68 eine mitgeführte Gasporosität nahe dem Zentrum der Schweißlinse 60 verdichtet und möglicherweise etwas Gas aus dem erneut geschmolzenen Abschnitt 68 freisetzt, während man annimmt, dass eine thermische Expansion und Kontraktion der Schweißlinse 60 während des erneuten Schmelzens Restoxide und Mikrorisse aufbricht und verteilt, die an der Schweißbindungsfläche 66 oder in der Nähe vorhanden sein können.It is believed that the remelting of the weld nugget 60 the strength including the peel strength of the finally formed welded joint 62 positively influenced, which is put into operation. Without being bound by theory, it is believed that the remelting of the weld nugget 60 , in particular the weld bonding surface 66 , at the impact interface 28 the various welding defects that occur during the solidification of the molten metal bath 58 to and along the impact interface 28 be driven, plastered, reducing the ability of the weld nugget 60 is improved, with the impact surface 20 of the steel workpiece 12 to bind. You go z. B. assume that the creation of the remelted section 68 a entrained gas porosity near the center of the weld nugget 60 compressed and possibly some gas from the remelted section 68 releases, while it is believed that thermal expansion and contraction of the weld nugget 60 During remelting, residual oxides and micro-cracks break up and spread on the weld-bonding surface 66 or may be present nearby.

Anschließend an die Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens wird die Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse ausgeführt. Während der Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse wird zugelassen, dass der erneut geschmolzenen Abschnitt 68 der Schweißlinse 60 (wie auch jedes neu geschmolzene Material des aluminiumbasierten Werkstückes 14 außerhalb der ursprünglichen Schweißbindungsfläche 66) abkühlt und erstarrt, wie in 6 gezeigt, bevorzugt während die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40 noch immer gegen den Werkstückstapel 10 gepresst werden. Der wieder erstarrte Abschnitt 72 der Schweißlinse 60, der von dem erneut geschmolzenen Abschnitt 68 herrührt, ist hier als eigener Teil der Schweißlinse 60 abgebildet, wenngleich in der realen Praxis der wieder erstarrte Abschnitt 72 gegebenenfalls nicht einfach von dem bzw. den Teil(en) der Schweißlinse 60 (falls vorhanden) zu unterscheiden ist, welcher bzw. welche das erneute Schmelzen und wieder Erstarren erfährt bzw. erfahren. Und, wie oben angesprochen, geht man davon aus, dass der wieder erstarrte Abschnitt 72 der Schweißlinse 60 weniger Schweißfehler an oder nahe der Stoß-Grenzfläche 28 enthält, als andernfalls vorhanden wären, hätte man die Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens nicht angewendet. Um sicher zu sein, ist es nicht unüblich, dass Werkstückstapel, die dem mehrstufigen Punktschweißverfahren unterzogen wurden, Abschälfestigkeiten von wenigstens 100% mehr als die gleichen Werkstückstapel zu erhalten, die mit einem herkömmlichen, einstufigen, konstanten Strom punktgeschweißt wurden.Subsequent to the reflow melt stage, the solidification stage of the reflowed weld nugget is performed. During the solidification stage of the reflowed weld nugget, it is allowed to re-melt the section 68 the weld nugget 60 (as well as any newly molten material of the aluminum-based workpiece 14 outside the original weld surface 66 ) cools and solidifies, as in 6 shown, preferably during the first and the second spot welding electrode 36 . 40 still against the stack of workpieces 10 be pressed. The re-solidified section 72 the weld nugget 60 from the remelted section 68 is here is as a separate part of the weld nugget 60 imaged, albeit in real practice the re-solidified section 72 optionally not simply from the part (s) of the weld nugget 60 (if present) is to be distinguished, which or which experiences the re-melting and re-solidification or experience. And, as mentioned above, it is assumed that the re-solidified section 72 the weld nugget 60 less welding defects at or near the impact interface 28 contains, as would otherwise be present, would not have applied the stage of reflowing molten glass. To be sure, it is not uncommon for workpiece stacks that have been subjected to the multi-stage spot welding process to obtain peel strengths of at least 100% more than the same workpiece stacks that have been spot welded with a conventional, single stage, constant current.

Das oben erörterte mehrstufige Punktschweißverfahren kann auch eine optionale Metallausstoßstufe während oder nach der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens der, aber vor der Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse umfassen. Während der Metallausstoßstufe wird zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts 68 der Schweißlinse 60 in einem Ausmaß erwärmt, dass die an der Schweißstelle 16 hergestellte hydraulische Dichtung gebrochen wird, was zur Folge hat, dass die Stoßflächen 20, 24 des Stahl- und des aluminiumbasierten Werkstückes 12, 14 (wie auch die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40) kurz auseinandergedrückt werden. Der erneut geschmolzene Abschnitt 68 der Schweißlinse 60 und möglicherweise etwas von dem neu geschmolzenem Material des aluminiumbasierten Werkstückes 14 außerhalb der ursprünglichen Schweißbindungsfläche 66, falls vorhanden, werden zu diesem Zeitpunkt seitlich entlang der Stoß-Grenzfläche 28 außerhalb der Schweißbindungsfläche 66 ausgestoßen oder hinausgespritzt, bis die Werkstücke schließlich infolge des Verlusts an Materialschmelze und des angewendeten Druckes der ersten und der zweiten Punktschweißelektrode 36, 40 zusammenklappen. Man geht davon aus, dass ein derartiger Metallausstoß, wenn er angewendet wird, dabei hilft, die Schweißlinse 60 weiter von Schweißfehler zu säubern, indem die Fehler physikalisch aus der Schweißbindungsfläche 66 (oder der vergrößerten Schweißbindungsfläche 70, falls anwendbar) ausgestoßen werden. Während der Metallausstoß als nutzbringend erachtet wird, wird das Erwärmen des erneut geschmolzenen Abschnitts 68 derart gesteuert, dass die Dicke 140 des aluminiumbasierten Werkstückes 14 an der Schweißstelle 16 infolge der Metallausstoßstufe nicht auf weniger als 50% seiner ursprünglichen Dicke verringert wird, die vor dem Eindrücken der Schweißfläche 44 der zweiten Schweißelektrode 30 gemessen wird.The multi-stage spot welding process discussed above may also include an optional metal ejection stage during or after the reflow of molten glass stage, but before the Solidification stage of the remelted weld nugget. During the metal ejection stage, at least part of the remelted portion becomes 68 the weld nugget 60 heated to an extent that at the weld 16 produced hydraulic seal is broken, which has the consequence that the abutting surfaces 20 . 24 of steel and aluminum-based workpiece 12 . 14 (as well as the first and second spot welding electrodes 36 . 40 ) are briefly pushed apart. The remelted section 68 the weld nugget 60 and possibly some of the remelted material of the aluminum-based workpiece 14 outside the original weld surface 66 If present, at this time will be laterally along the impact interface 28 outside the weld bonding area 66 or ejected until the workpieces finally fail due to the loss of molten material and the applied pressure of the first and second spot welding electrodes 36 . 40 fold. It is believed that such a metal ejection, when applied, helps in the nugget 60 Continue to clean up welding defects by physically removing the defects from the weld bonding surface 66 (or the enlarged weld bond area 70 if applicable). While the metal ejection is considered beneficial, heating of the remelted portion becomes 68 controlled so that the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld 16 due to the metal ejection stage is not reduced to less than 50% of its original thickness, prior to impressing the weld surface 44 the second welding electrode 30 is measured.

Die Metallausstoßstufe kann bewerkstelligt werden, indem ein elektrischer Strom auf eine oder zweierlei Art und Weise zwischen die Punktschweißelektroden 36, 40 und durch die Werkstücke 12, 14 hindurch geleitet wird. Als Erstes kann die dritte Zeitspanne so festgelegt werden, dass der Durchgang von elektrischem Strom während der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens anhält und schließlich einen Metallausstoß am Ende der dritten Zeitspanne bewirkt. Die Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens und die Metallausstoßstufe können sich somit überlappen. Wenn diese Option verfolgt wird, dauert die dritte Zeitspanne in der Regel 100 ms oder mehr, wenngleich zweifellos kürzere und längere Perioden abhängig von den Dicken 120, 140 und Zusammensetzungen der Werkstücke 12, 14 möglich sind. Als Zweites kann ein elektrischer Strom nach der dritten Zeitspanne, die der Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens zugeordnet ist, für eine vierte Zeitspanne durchgeleitet werden, während der der elektrische Strom auf einen höheren Pegel angehoben wird als der elektrische Strom, der während der dritten Zeitspanne durchgeleitet wird. In diesem Szenario kann z. B. ein Gleichstrom durchgeleitet werden, der einen konstanten Strompegel zwischen 20 kA und 50 kA aufweist, und die Dauer des elektrischen Stromflusses über die vierte Zeitspanne kann zwischen 20 ms und 200 ms betragen.The metal ejection stage can be accomplished by applying an electrical current between the spot welding electrodes in one or two ways 36 . 40 and through the workpieces 12 . 14 is passed through. First, the third time period may be set so that the passage of electric current stops during the reflow-melt reflow stage and eventually causes metal ejection at the end of the third time period. The rewelding reflow stage and the metal ejection stage may thus overlap. When this option is tracked, the third period of time usually takes 100 ms or more, although no doubt shorter and longer periods depend on the thicknesses 120 . 140 and compositions of the workpieces 12 . 14 possible are. Second, an electric current may be passed for a fourth time period after the third time period associated with the reflow melt stage during which the electric current is raised to a higher level than the electric current passed during the third time period , In this scenario, for example, For example, a direct current may be passed through which has a constant current level between 20 kA and 50 kA, and the duration of the electrical current flow over the fourth period may be between 20 ms and 200 ms.

Nachdem das mehrstufige Punktschweißverfahren zu der Bildung der Schweißverbindung 62 geführt hat, was umfasst, dass die Schweißlinse 60 den wieder erstarrten Abschnitt 72 aufweist, werden die erste und die zweite Punktschweißelektrode 36, 40 von ihrer jeweiligen Aufstandsfläche 54, 56 zurückgezogen. Der Werkstückstapel 10 wird dann der Reihe nach an anderen Schweißstellen 16 bezüglich der Schweißpistole 18 angeordnet und das mehrstufige Punktschweißverfahren wird an diesen Stellen 16 wiederholt, oder der Werkstückstapel 10 wird von der Schweißpistole 18 wegbewegt, um Platz für einen anderen Stapel zu machen. Das oben beschriebene mehrstufige Punktschweißverfahren kann somit viele Male an verschiedenen Schweißstellen auf demselben Werkstückstapel wie auch an verschiedenen Werkstückstapeln in einer Produktionsumgebung ausgeführt werden, um erfolgreich, gleichmäßig und zuverlässig Schweißverbindungen zwischen einem Stahlwerkstück und einem aluminiumbasierten Werkstück zu bilden.After the multi-stage spot welding process to the formation of the welded joint 62 has led, which includes, that the weld nugget 60 the re-solidified section 72 , the first and second spot welding electrodes become 36 . 40 from their respective footprint 54 . 56 withdrawn. The workpiece stack 10 will then be in turn at other welds 16 concerning the welding gun 18 arranged and the multi-stage spot welding process will be in these places 16 repeated, or the workpiece stack 10 is from the welding gun 18 moved away to make room for another pile. Thus, the multi-stage spot welding method described above can be performed many times at different welds on the same stack of workpieces as well as on different workpiece stacks in a production environment to successfully, uniformly and reliably form weld joints between a steel workpiece and an aluminum based workpiece.

BEISPIELEEXAMPLES

Die folgenden Beispiele demonstrieren mehrere Ausführungsformen des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens. Der Schweißplan eines herkömmlichen Punktschweißverfahrens, das einen einstufigen, konstanten elektrischen Strom verwendet, um ein 6022 Aluminiumlegierungs-Werkstück von 1,2 mm an ein feuerverzinktes Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl von 1,0 mm zu schweißen, wird zu Vergleichszwecken auch in 8 illustriert. Hier wird, wie zu sehen ist, ein elektrischer Strom mit einem konstanten Strompegel (nach einem schnellen anfänglichen Hochfahren) von 16 kA für 500 ms unter einer Kraft von 800 Pfund zwischen die Punktschweißelektroden und durch den Werkstückstapel hindurch geleitet. Im Gegensatz dazu werden, wie unten stehend in den Beispielen 1–5 beschrieben und in den 9-13 illustriert, Punktschweißverbindungen gebildet, indem ein Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen den Punktschweißelektroden und durch die Werkstückstapel hindurch gesteuert wird, um eine Schweißschmelzbad-Wachstumsstufe, eine Schweißschmelzbad-Erstarrungsstufe, eine Stufe des erneuten Schweißlinsenschmelzens und eine Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse auszuführen. Außerdem verwendet jedes der Beispiele eine optionale Metallausstoßstufe vor der Erstarrungsstufe der erneut geschmolzenen Schweißlinse.The following examples demonstrate several embodiments of the disclosed multi-stage spot welding process. The weld schedule of a conventional spot welding process which uses a single stage, constant current to weld a 60.2 mm aluminum alloy workpiece of 1.2 mm to a 1.0 mm low carbon galvanized workpiece is also used in FIG 8th illustrated. Here, as can be seen, an electric current is passed at a constant current level (after a fast initial ramp-up) of 16 kA for 500 ms under a force of 800 pounds between the spot welding electrodes and through the stack of workpieces. In contrast, as described below in Examples 1-5 and in FIGS 9 - 13 illustrates spot welding connections formed by controlling a passage of an electric current between the spot welding electrodes and through the workpiece stacks to perform a molten pool growth stage, a molten pool solidification stage, a reflow melt stage, and a reflow stage reflowed nugget. In addition, each of the examples uses an optional metal ejection stage prior to the solidification stage of the reflowed weld nugget.

Beispiel 1 example 1

Hier, in dem ersten Beispiel, wurde ein 6022 Aluminiumlegierungs-Werkstück von 1,2 mm mit dem mehrstufigen Punktschweißverfahren unter einer von den Punktschweißelektroden angewendeten Kraft von 800 Pfund an ein feuerverzinktes Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl von 1,0 mm punktgeschweißt. Der Schweißplan ist in 9 abgebildet. Wie gezeigt, wurde zuerst ein elektrischer Strom mit einem konstanten Pegel von 17 kA für eine erste Periode von 125 ms durch die Werkstücke hindurch geleitet, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Als Nächstes wurde der Durchgang von elektrischem Strom für eine zweite Periode von 500 ms beendet, d. h. auf 0 kA gesenkt, um das Schweißschmelzbad zu einer Schweißlinse erstarren zu lassen, die zusammen mit einer oder mehreren intermetallischen Fe-Al-Schichten eine Schweißverbindung zwischen dem Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstück bildete. Dann wurde der elektrische Strom wieder eingeschaltet und durch die Werkstücke hindurch geleitet, um zumindest einen Abschnitt der Schweißlinse erneut zu schmelzen und außerdem einen Metallausstoß an der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke zu bewirken. Der zu diesem Zeitpunkt durchgeleitete elektrische Strom wies einen konstanten Strompegel von 25 kA auf und wurde für eine dritte Periode von 200 ms aufrechterhalten. Nach der dritten Zeitspanne wurde der Durchgang von elektrischem Strom erneut beendet, während die Kraft der Elektroden aufrechterhalten wurde, um den erneut geschmolzenen Abschnitt der Schweißlinse zum Erstarren zu bringen.Here, in the first example, a 1.2-inch 6022 aluminum alloy workpiece was spot-welded to a hot-galvanized low-carbon steel workpiece of 1.0 mm by the multi-stage spot welding method under a force of 800 pounds applied by the spot welding electrodes. The welding plan is in 9 displayed. As shown, first, a 17 kA constant current electrical current was passed through the workpieces for a first 125 ms period to initiate and grow a weld pool within the aluminum alloy workpiece. Next, the passage of electric current was terminated for a second period of 500 ms, ie, lowered to 0 kA, to solidify the molten weld pool into a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic layers, welded the steel and aluminum alloy workpiece made. Then, the electric current was turned on again and passed through the workpieces to remelt at least a portion of the weld nugget and also to cause metal ejection at the butting interface of the workpieces. The electric current passed at this time had a constant current level of 25 kA and was maintained for a third period of 200 ms. After the third period, the passage of electric current was stopped again while maintaining the force of the electrodes to solidify the remelted portion of the weld nugget.

Beispiel 2Example 2

In diesem Beispiel, das in 10 abgebildet ist, wurde ein 6022 Aluminiumlegierungs-Werkstück von 1,2 mm mit dem mehrstufigen Punktschweißverfahren unter einer von den Punktschweißelektroden angewendeten Kraft von 700 Pfund an ein feuerverzinktes Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl von 1,0 mm punktgeschweißt. Wie gezeigt, wurde ein elektrischer Strom mit einem konstanten Strompegel von 15 kA für eine erste Periode von 300 ms durch die Werkstücke hindurch geleitet, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Als Nächstes wurde der Durchgang von elektrischem Strom für eine zweite Periode von 500 ms beendet, um das Schweißschmelzbad zu einer Schweißlinse erstarren zu lassen, die zusammen mit einer oder mehreren intermetallischen Fe-Al-Schichten eine Schweißverbindung zwischen dem Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstück bildete. Dann wurde der elektrische Strom in der Form von sieben Stromimpulsen durchgeleitet, um zumindest einen Abschnitt der Schweißlinse erneut zu schmelzen und außerdem einen Metallausstoß an der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke zu bewirken. Die sieben Stromimpulse stiegen in dem angewendeten Strompegel über eine dritte Periode von etwa 860 ms in dem Bereich von 16 kA bis 20,5 kA an. Im Speziellen dauerte jeder Stromimpuls 100 ms, während sich der Strompegel erhöhte, und fiel dann für eine Periode von 25 ms zwischen den Impulsen auf 0 kA, und die Spitzenspannungspegel jedes Impulses stiegen gegenüber seinem unmittelbar nachfolgenden Impuls an (16,5 kA < 17,2 kA < 17,8 kA < 18,5 kA < 19,1 kA < 19,8 kA < 20,4 kA). Nach dem siebten und letzten Stromimpuls wurde der Durchgang des elektrischen Stromes erneut beendet, während die Kraft der Elektroden aufrechterhalten wurde, um den erneut geschmolzenen Abschnitt der Schweißlinse zum Erstarren zu bringen.In this example, that in 10 1, a 1.2-inch 6022 aluminum alloy workpiece was spot-welded to a hot-galvanized low-carbon steel workpiece of 1.0 mm by the multi-stage spot welding method under a 700-pound force applied by the spot welding electrodes. As shown, an electric current was passed through the workpieces at a constant current level of 15 kA for a first period of 300 milliseconds to initiate and grow a weld pool within the aluminum alloy workpiece. Next, the passage of electrical current was terminated for a second period of 500 ms to solidify the weld pool to a weld nugget which, along with one or more Fe-Al intermetallic layers, formed a weld between the steel and aluminum alloy workpieces , Then, the electric current was passed in the form of seven current pulses to remelt at least a portion of the weld nugget and also to cause metal ejection at the butting interface of the workpieces. The seven current pulses increased in the applied current level over a third period of about 860 ms in the range of 16 kA to 20.5 kA. Specifically, each current pulse lasted 100 ms as the current level increased, then dropped to 0kA for a period of 25 ms between pulses, and the peak voltage levels of each pulse increased from its immediately succeeding pulse (16.5kA <17, 2 kA <17.8 kA <18.5 kA <19.1 kA <19.8 kA <20.4 kA). After the seventh and last pulse of current, the passage of the electric current was stopped again while the force of the electrodes was maintained to solidify the reflowed portion of the weld nugget.

Beispiel 3Example 3

In diesem Beispiel, das in 11 abgebildet ist, wurde ein 6022 Aluminiumlegierungs-Werkstück von 2,0 mm mit dem mehrstufigen Punktschweißverfahren unter einer von den Punktschweißelektroden angewendeten Kraft von 800 Pfund an ein feuerverzinktes Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl von 1,0 mm punktgeschweißt. Wie gezeigt, wurde hier ein elektrischer Strom mit einem konstanten Strompegel von 17 kA für eine erste Periode von 125 ms durch die Werkstücke hindurch geleitet, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Als Nächstes wurde der Durchgang von elektrischem Strom für eine zweite Periode von 500 ms beendet, um das Schweißschmelzbad zu einer Schweißlinse erstarren zu lassen, die zusammen mit einer oder mehreren intermetallischen Fe-Al-Schichten eine Schweißverbindung zwischen dem Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstück bildete. Dann wurde der elektrische Strom in der Form von siebenundzwanzig Stromimpulsen über eine dritte Periode von ca. 960 ms durchgeleitet, um zumindest einen Abschnitt der Schweißlinse erneut zu schmelzen und außerdem einen Metallausstoß an der Stoß-Grenzfläche zu bewirken. Jeder Stromimpuls erreichte einen Strompegel von 37 kA und behielt diesen Pegel für 12 ms bei, bevor er für eine Periode von 24 ms zwischen den Impulsen auf 0 kA abfiel. Nach dem siebenundzwanzigsten und letzten Stromimpuls wurde der Durchgang des elektrischen Stromes erneut beendet, während die Kraft der Elektroden aufrechterhalten wurde, um den erneut geschmolzenen Abschnitt der Schweißlinse zum Erstarren zu bringen.In this example, that in 11 1, a 2.0 mm aluminum alloy workpiece of 2.0 mm was spot-welded to a hot-galvanized low-carbon steel workpiece of 1.0 mm by the multi-stage spot welding method under a force of 800 pounds applied by the spot welding electrodes. As shown, an electric current was passed through the workpieces at a constant current level of 17 kA for a first 125 ms period to initiate and grow a weld pool within the aluminum alloy workpiece. Next, the passage of electrical current was terminated for a second period of 500 ms to solidify the weld pool to a weld nugget which, along with one or more Fe-Al intermetallic layers, formed a weld between the steel and aluminum alloy workpieces , Then, the electrical current was passed through in the form of twenty-seven current pulses over a third period of about 960 milliseconds to remelt at least a portion of the weld nugget and also cause metal ejection at the impact interface. Each current pulse reached a current level of 37 kA and maintained this level for 12 ms before dropping to 0 kA between pulses for a period of 24 ms. After the twenty-seventh and last pulse of current, the passage of electrical current was again stopped while the force of the electrodes was maintained to solidify the reflowed portion of the weld nugget.

Beispiel 4 Example 4

In diesem Beispiel, das in 12 abgebildet ist, wurde ein 6022 Aluminiumlegierungs-Werkstück von 1,2 mm mit dem mehrstufigen Punktschweißverfahren unter einer von den Punktschweißelektroden angewendeten Kraft von 600 Pfund an ein feuerverzinktes Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl von 2,0 mm punktgeschweißt. Hier wurde ein elektrischer Strom mit einem konstanten Pegel von 13 kA für eine erste Periode von 250 ms durch die Werkstücke hindurch geleitet, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Als Nächstes wurde der Durchgang von elektrischem Strom für eine zweite Periode von 500 ms beendet, um das Schweißschmelzbad zu einer Schweißlinse erstarren zu lassen, die zusammen mit einer oder mehreren intermetallischen Fe-Al-Verbindungsschichten eine Schweißverbindung zwischen dem Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstück bildete. Dann wurde der elektrische Strom in der Form von acht Stromimpulsen über eine dritte Periode von ca. 910 ms durchgeleitet, um zumindest einen Abschnitt der Schweißlinse erneut zu schmelzen und außerdem einen Metallausstoß an der Stoß-Grenzfläche zu bewirken. Im Speziellen erreichte jeder Stromimpuls einen Strompegel von 14 kA und behielt diesen Pegel für 100 ms bei, bevor er für eine Periode von 15 ms zwischen den Impulsen auf 0 kA abfiel. Nach dem achten und letzten Stromimpuls wurde der Durchgang des elektrischen Stromes erneut beendet, während die Kraft der Elektroden aufrechterhalten wurde, um den erneut geschmolzenen Abschnitt der Schweißlinse zum Erstarren zu bringen.In this example, that in 12 1, a 1.2-inch 6022 aluminum alloy workpiece was spot-welded to a hot-galvanized low-carbon steel workpiece of 2.0 mm by the multi-stage spot welding method under a force of 600 pounds applied by the spot welding electrodes. Here, a 13 kA constant current electric current was passed through the workpieces for a first 250 ms period to initiate and grow a weld pool within the aluminum alloy workpiece. Next, the passage of electric current was terminated for a second period of 500 ms to solidify the weld pool to a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic compound layers, formed a weld between the steel and aluminum alloy workpieces , Then, the electric current was passed through in the form of eight current pulses over a third period of about 910 ms to remelt at least a portion of the weld nugget and also cause metal ejection at the bump interface. In particular, each current pulse reached a current level of 14kA and maintained that level for 100ms before dropping to 0kA for a period of 15ms between pulses. After the eighth and last pulse of current, the passage of electrical current was stopped again while maintaining the force of the electrodes to solidify the remelted portion of the weld nugget.

Beispiel 5Example 5

In diesem Beispiel, das in 13 abgebildet ist, wurde ein 6022 Aluminiumlegierungs-Werkstück von 2,0 mm mit dem mehrstufigen Punktschweißverfahren unter einer von den Punktschweißelektroden angewendeten Kraft von 1200 Pfund an ein feuerverzinktes Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl von 2,0 mm punktgeschweißt. Um zu beginnen wurde, wie gezeigt, ein elektrischer Strom in der Form von 20 Stromimpulsen über eine erste Periode von ca. 400 ms durchgeleitet, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Jeder Stromimpuls erreichte einen Strompegel von 20 kA und behielt diesen Pegel für 16 ms bei, bevor er für eine Periode von 4 ms zwischen den Impulsen auf 0 kA abfiel. Als Nächstes wurde der Durchgang von elektrischem Strom für eine zweite Periode von 1000 ms beendet, um das Schweißschmelzbad zu einer Schweißlinse erstarren zu lassen, die zusammen mit einer oder mehreren intermetallischen Fe-Al-Schichten eine Schweißverbindung zwischen dem Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstück bildete. Dann wurde der elektrische Strom in der Form von zwölf Stromimpulsen über eine dritte Periode von ca. 480 ms durchgeleitet, um zumindest einen Abschnitt der Schweißlinse erneut zu schmelzen und außerdem einen Metallausstoß an der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke zu bewirken. Jeder Stromimpuls erreichte einen Strompegel von 38 kA und behielt diesen Pegel für 16 ms bei, bevor er für eine Periode von 25 ms zwischen den Impulsen auf 0 kA abfiel. Nach dem zwölften und letzten Stromimpuls wurde der Durchgang des elektrischen Stromes erneut beendet, während die Kraft der Elektroden aufrechterhalten wurde, um den erneut geschmolzenen Abschnitt der Schweißlinse zum Erstarren zu bringen.In this example, that in 13 1, a 2.0 mm aluminum alloy 60.02 piece of aluminum alloy was spot-welded to a hot-dip galvanized low-carbon steel workpiece of 2.0 mm with the multi-stage spot welding method using a 1200 pound force applied by the spot welding electrodes. As shown, as shown, an electrical current in the form of 20 pulses of current was passed over a first period of about 400 milliseconds to initiate and grow a weld pool within the aluminum alloy workpiece. Each current pulse reached a current level of 20kA and maintained that level for 16ms before dropping to 0kA between pulses for a period of 4ms. Next, the passage of electric current was terminated for a second period of 1000 ms to solidify the weld pool to a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic layers, welded the steel and aluminum alloy workpiece , Then, the electric current was passed through in the form of twelve current pulses over a third period of about 480 ms to remelt at least a portion of the weld nugget and also cause metal ejection at the butting interface of the workpieces. Each current pulse reached a current level of 38kA and maintained that level for 16ms before dropping to 0kA between pulses for a period of 25ms. After the twelfth and last pulse of current, the passage of the electric current was stopped again while the force of the electrodes was maintained to solidify the reflowed portion of the weld nugget.

AbschälfestigkeitsvergleichAbschälfestigkeitsvergleich

Die folgende Tabelle vergleicht die Abschälfestigkeiten des herkömmlichen einstufigen Schweißverfahrens mit konstantem elektrischem Strom (8) mit den fünf exemplarischen mehrstufigen Punktschweißverfahren (9–13). Die Abschälfestigkeit der Schweißverbindung ist eine beachtenswerte Eigenschaft für Schweißverbindungen. Dies gilt insbesondere für Schweißverbindungen, in Verbindung mit einem strukturellen Klebstoff, da Klebstoffe allgemein eine Scherfestigkeit bereitstellen, sich aber beim Abschälen schlecht verhalten. Die hier aufgezeichneten Abschälfestigkeiten wurden mit T-Abschälproben gemessen. Die T-Abschälproben wurden erhalten, indem zuerst Probekörper (5 Zoll mal 1,5 Zoll) in eine L-Form gebogen wurden. Dann wurden die kurzen Schenkel von zwei L-förmigen Probekörpern zusammengepasst und es wurde eine Schweißverbindung gemäß der oben im Detail dargelegten Punktschweißverfahren zwischen den Passflächen gebildet. Die langen Schenkel der resultierenden T-Abschälproben wurden in einer Zugprüfmaschine befestigt und dann gezogen, bis die Schweißverbindung versagte. Die maximale Belastung in Newton (N) ist als die Abschälfestigkeit angegeben.The following table compares the peel strengths of the conventional single stage welding process with constant electric current ( 8th ) with the five exemplary multi-stage spot welding methods ( 9 - 13 ). The peel strength of the weld is a noteworthy feature for welded joints. This is especially true for welded joints, in conjunction with a structural adhesive, because adhesives generally provide shear strength, but behave poorly during peel-off. The peel strengths recorded here were measured with T-peel samples. The T-peel samples were obtained by first bending specimens (5 inches by 1.5 inches) into an L-shape. Then, the short legs of two L-shaped specimens were mated and a welded joint was formed between the mating surfaces according to the spot welding method set forth in detail above. The long legs of the resulting T-peel samples were mounted in a tensile testing machine and then pulled until the weld failed. The maximum load in Newtons (N) is given as the peel strength.

Wie ersichtlich ist, waren die aus den mehrstufigen Punktschweißverfahren erhaltenen Abschälfestigkeiten deutlich höher als die aus dem herkömmlichen einstufigen Punktschweißverfahren erhaltene Abschälfestigkeit. VERGLEICH DER ABSCHÄLFESTIGKEITEN Punktschweißverfahren Abschälfestigkeit (N) Herkömmlich (Fig. 8) 90 Mehrstufig (Fig. 9) 220 Mehrstufig (Fig. 10) 290 Mehrstufig (Fig. 11) 260 Mehrstufig (Fig. 12) 400 Mehrstufig (Fig. 13) 810 As can be seen, the peel strengths obtained from the multi-stage spot welding processes were significantly higher than the peel strength obtained from the conventional one-step spot welding process. COMPARISON OF DISABILITIES Spot welding method Peel strength (N) Conventional (Figure 8) 90 Multi-stage (Fig. 9) 220 Multi-stage (Fig. 10) 290 Multi-level (Fig. 11) 260 Multi-level (Fig. 12) 400 Multi-level (Fig. 13) 810

Die obige Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen und spezifischer 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.The above description of preferred exemplary embodiments and specific examples is purely descriptive in nature; these are not intended to limit the scope of the following claims. Each of the terms used in the appended claims is intended to have its usual and conventional meaning unless expressly and unambiguously stated otherwise in the specification.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6861609 [0031]
US 8222560 [0031]
US 8274010 [0031]
US 8436269 [0031]
US Pat. No. 852,5066 [0031]
US 2009/0255908 [0031]

Claims

A method of resistance spot welding a workpiece stack comprising an aluminum based workpiece and a steel workpiece to form a resistance spot weld between the aluminum based workpiece and the steel workpiece, the method comprising: a workpiece stack is contacted with a pair of spot welding electrodes so that the spot welding electrodes make contact with opposite sides of the workpiece stack, the workpiece stack comprising an aluminum based workpiece and a steel workpiece, the aluminum based workpiece having a butting surface and the steel workpiece having a butting surface; Abutting surfaces of the aluminum-based workpiece and the steel workpiece overlap each other and contact each other to provide an impact interface between the workpieces; and the passage of an electric current between the spot welding electrodes and through the aluminum-based workpiece and the steel workpiece is controlled to perform a plurality of stages of weld joint development, comprising: a weld pool is caused to grow in the aluminum-based workpiece extending from the impact interface into the aluminum-based workpiece; allowing the weld pool to cool and solidify into a weld nugget comprising a weld bonding surface joined to the butt face of the steel workpiece; at least a portion of the weld nugget comprising at least a portion of the weld-bonding surface of the nugget is remelted; is allowed to cool and solidify the re-melted portion of the weld nugget.

The method of claim 1, wherein an electrical current in the form of current pulses is passed between the spot welding electrodes to remelt at least a portion of the weld nugget.

The method of claim 1, wherein the weld nugget extends into the aluminum-based alloy workpiece from the abutting surface to a penetration depth and wherein the remelted portion of the weld nugget does not extend to the penetration depth of the weld nugget.

The method of claim 1, wherein the reflowed portion of the weld nugget comprises the entire weld bonding surface of the nugget and further combines with a molten material of the aluminum-based alloy workpiece outside the weld bonding surface of the nugget to produce an enlarged weld bonding surface.

The method of claim 4, wherein the increased weld bonding area in the area is up to 50% greater than the weld bonding area of the weld nugget prior to remelting.

The method of claim 1, further comprising: at least a portion of the remelted portion of the weld nugget is ejected at the impact interface.

A method of resistance spot welding a workpiece stack comprising an aluminum based workpiece and a steel workpiece to form a resistance spot weld between the aluminum based workpiece and the steel workpiece, the method comprising: a workpiece stack is provided comprising an aluminum-based workpiece and a steel workpiece, the aluminum-based workpiece having a butting surface and the steel workpiece having a butting surface and the abutting surfaces of the workpiece overlapping and contacting each other to provide a butting interface between the workpieces ; passing an electrical current through the aluminum-based alloy workpiece and the steel workpiece and across the impact interface for a first time period during which a weld pool extending into the aluminum-based workpiece from the impact interface is initiated and allowed to grow ; allowing the weld pool to cool and solidify into a weld nugget, either by passing an electrical current through the workpieces at a reduced level for a second period of time after conducting electrical current for the first time, allowing the weld pool to solidify; or the passing of electrical current through the workpieces is terminated; and electrical current, after the nugget has solidified during the second period of time, is passed through the aluminum-based alloy workpiece and the steel workpiece for a third period of time while at least a portion of the nugget is remelted.

The method of claim 7, wherein the weld nugget comprises a weld bonding surface joined to a butting surface of the steel workpiece at the butting interface, and wherein the reflowed portion of the nugget includes the entire weld bonding surface of the nugget and further includes molten material of the aluminum-based alloy workpiece outside wherein, after cooling and solidification, the reflowed portion of the weld nugget and the molten material of the aluminum-based alloy workpiece outside the weldbond surface of the weld nugget provide an increased weld bonding area.

The method of claim 7, further comprising: at least a portion of the remelted portion of the weld nugget is ejected at the impact interface.

Multi-stage spot welding method, comprising: pressing a pair of spot welding electrodes against a stack of workpieces so that the spot welding electrodes are pressed against opposite sides of the stack of workpieces, the work piece stack comprising an aluminum based work piece and a steel work piece; a weld pool is caused to grow in the aluminum-based workpiece extending from an impact interface of the steel workpiece and the aluminum-based workpiece into the aluminum-based workpiece; allowing the weld pool to solidify into a weld nugget comprising a weld bonding surface joined to a butting surface of the steel workpiece at the bump interface, wherein prior to remelting at least a portion of the weld nugget, the weld nugget weld surface is at least 4 (π) ( t), where t is a thickness of the aluminum-based workpiece at the weld; at least a portion of the weld nugget comprising at least a portion of the weld-bonding surface is remelted; allowing the remelted portion of the weld nugget to solidify into a re-solidified portion of the weld nugget; and at least a portion of the remelted portion of the weld nugget is ejected at the impact interface before allowing the reflowed portion of the weld nugget to solidify.