DE102014112028B4 - Multi-stage direct welding of an aluminium-based workpiece to a steel workpiece - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels (10), der ein Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst, um eine Widerstandspunktschweißverbindung (62) zwischen dem Werkstück (14) und dem Stahlwerkstück (12) zu bilden, wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Werkstückstapel (10) mit einem Paar Punktschweißelektroden (36, 40) in Kontakt gebracht wird, sodass die Punktschweißelektroden (36, 40) einen Kontakt mit entgegengesetzten Seiten (22, 26) des Werkstückstapels (10) herstellen, wobei der Werkstückstapel (10) ein Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst, wobei das Werkstück (14) eine Stoßfläche (24) aufweist und das Stahlwerkstück (12) eine Stoßfläche (20) aufweist und wobei die Stoßflächen (20, 24) des Werkstückes (14) und des Stahlwerkstückes (12) einander überlappen und miteinander in Kontakt stehen, um eine Stoß-Grenzfläche (28) zwischen den Werkstücken (12, 14) vorzusehen; undder Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen den Punktschweißelektroden (36, 40) und durch das Werkstück (14) und das Stahlwerkstück (12) hindurch gesteuert wird, um mehrere Stufen einer Schweißverbindungsentwicklung (62) auszuführen, welche umfassen, dass:ein Schweißschmelzbad (58) in dem Werkstück (14) zum Wachsen gebracht wird, das sich von der Stoß-Grenzfläche (28) in das Werkstück (14) hinein erstreckt;zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad (58) abkühlt und zu einer Schweißlinse (60) erstarrt, die eine Schweißbindungsfläche (66) umfasst, die an die Stoßfläche (20) des Stahlwerkstückes (12) gefügt ist;zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse (60), der zumindest einen Teil der Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) umfasst, erneut geschmolzen wird;zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) abkühlt und erstarrt;dadurch gekennzeichnet , dass das Werkstück (14) ein aluminiumbasiertes Werkstück (14) ist;wobei sich die Schweißlinse (60) in das aluminiumbasierte Legierungswerkstück (14) hinein von der Stoßfläche (24) bis zu einer Eindringtiefe (64) erstreckt und wobei sich der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse nicht bis zu der Eindringtiefe (64) der Schweißlinse (60) erstreckt; und/oderwobei der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) die gesamte Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) umfasst und sich ferner mit einer Materialschmelze des aluminiumbasierten Legierungswerkstückes (14) außerhalb der Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) kombiniert, um eine vergrößerte Schweißbindungsfläche (70) herzustellen; und/oderwobei zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts der Schweißlinse (60) an der Stoß-Grenzfläche (28) ausgestoßen wird.A method of resistance spot welding a workpiece stack (10) comprising a workpiece (14) and a steel workpiece (12) to form a resistance spot weld joint (62) between the workpiece (14) and the steel workpiece (12), the method comprising:contacting a workpiece stack (10) with a pair of spot welding electrodes (36, 40) such that the spot welding electrodes (36, 40) make contact with opposite sides (22, 26) of the workpiece stack (10), the workpiece stack (10) comprising a workpiece (14) and a steel workpiece (12), the workpiece (14) having an abutment surface (24) and the steel workpiece (12) having an abutment surface (20), and the abutment surfaces (20, 24) of the workpiece (14) and the steel workpiece (12) overlapping and contacting each other to form an abutment interface (28) between the workpieces (12, 14); andcontrolling the passage of an electric current between the spot welding electrodes (36, 40) and through the workpiece (14) and the steel workpiece (12) to perform a plurality of stages of weld joint development (62) comprising:growing a weld pool (58) in the workpiece (14) extending from the abutting interface (28) into the workpiece (14);allowing the weld pool (58) to cool and solidify into a weld nugget (60) comprising a weld bonding surface (66) joined to the abutting surface (20) of the steel workpiece (12);remelting at least a portion of the weld nugget (60) comprising at least a portion of the weld bonding surface (66) of the weld nugget (60);allowing the remelted portion of the weld nugget (60) to cool and solidify;characterized in that the workpiece (14) is an aluminum-based workpiece (14);wherein the weld nugget (60) extends into the aluminum-based alloy workpiece (14) from the abutment surface (24) to a penetration depth (64), and wherein the remelted portion of the weld nugget does not extend to the penetration depth (64) of the weld nugget (60); and/orwherein the remelted portion of the weld nugget (60) comprises the entire weld bonding surface (66) of the weld nugget (60) and further combines with a molten material of the aluminum-based alloy workpiece (14) outside the weld bonding surface (66) of the weld nugget (60) to produce an enlarged weld bonding surface (70); and/orwherein at least a portion of the remelted portion of the weld nugget (60) is expelled at the abutment interface (28).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Das technische Gebiet dieser Erfindung 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. Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels geht der Art nach beispielsweise aus der WO 2008 / 058 675 A1 hervor.The technical field of this invention 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 assembled in an overlapping manner relative to each other. A method according to the preamble of claim 1 for resistance spot welding of a workpiece stack is based in nature, for example, on WO 2008 / 058 675 A1 out.

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 the manufacture of, among other things, a vehicle door, hood, decklid, or liftgate. A number of spot welds are typically formed along a peripheral 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 join certain, similarly composed metal workpieces - e.g., steel to steel and aluminum alloy to aluminum alloy - the desire to incorporate lighter weight materials into a vehicle body structure has brought interest in joining steel workpieces to aluminum-based (aluminum or aluminum alloy) workpieces by resistance spot welding. In particular, the ability to resistance spot weld stacks of workpieces containing different workpiece combinations (e.g. 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 in general relies on resistance to the flow of an electric current through overlapping metal workpieces and across their butt interface to generate heat. To perform such a welding process, a pair of opposing spot welding electrodes are typically clamped at diametrically aligned points on opposite sides of the workpieces at a predetermined weld location. An electric current is then passed through the metal workpieces from one electrode to the other. The resistance to the flow of this electric current generates heat within the metal workpieces and at their butt interface. When the metal workpieces being spot welded together are a steel workpiece and an aluminum-based workpiece, the heat generated at the butt interface initiates a molten weld pool that extends from the butt interface into the aluminum-based workpiece. This molten weld pool wets the adjacent surface of the steel workpiece and, upon cessation of current flow, solidifies into a weld nugget that forms all or part of a weld 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 aluminium-based workpiece is challenging because a number of properties of these two metals can negatively affect the strength - in particular the peel strength - of the weld joint. Firstly, the aluminium-based workpiece typically contains one or more refractory oxide layers on its surface. The oxide layer(s) is/are typically composed of aluminium oxides, although other oxide compounds may also be present. For example, in the case of magnesium-containing aluminium alloys, the oxide layer(s) typically also comprise magnesium oxides. The oxide layer(s) present on the aluminium-based workpiece is/are electrically insulating and mechanically resistant. As a result of these physical properties, the oxide layer(s) tend to remain intact at the butt interface, where they may hinder the ability of the molten 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) have 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 possess different properties that tend to complicate the spot welding process. In particular, steel has a relatively high melting point (-1500 °C) and a relatively high electrical and thermal resistance, while the aluminum-based material has a relatively low melting point (~600 °C) and a relatively low electrical and thermal resistance. As a result of these physical differences, during a current flow, the majority of the heat is generated in the steel workpiece. This thermal 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 created during current flow and the high thermal conductivity of the aluminum-based workpiece means that immediately after the electrical current stops, a situation occurs where heat is not distributed symmetrically from the weld site. Rather, heat is conducted from the hotter steel workpiece, 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.The development of a steep thermal gradient between the steel workpiece and the welding electrode in contact with the aluminum-based workpiece is believed to weaken the integrity of the resulting weld in two primary ways. First, because the steel workpiece retains heat for a longer duration than the aluminum-based workpiece, after the electrical current has ceased, 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 toward the joint interface. A solidification front of this type tends to rupture or drive defects - e.g., gas porosity, shrinkage voids, microcracking, and surface oxide residues - toward and along the joint interface within the weld nugget. Second, the sustained elevated temperature in the steel workpiece promotes the growth of brittle Fe-Al intermetallic compounds at and along the joint 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 present, in addition to the weld nugget. The presence of a distribution of weld nugget defects together with excessive growth of Fe-Al intermetallic compounds along the butt interface tends to reduce the peel strength of the finished weld joint.

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 light of the challenges mentioned above, previous efforts to spot weld a steel workpiece and an aluminum-based workpiece have used a welding schedule that specifies higher currents, longer welding times, or both (compared to spot welding steel to steel) to try and obtain an adequate weld bond area. These efforts have been largely unsuccessful in a production environment and tend to damage the welding electrodes. Given that previous spot welding efforts have not been particularly successful, predominantly mechanical methods such as impact rivets and flow drill screws have been used instead. Both impact rivets and flow drill screws are significantly slower compared to spot welding and have high operating costs. They also add weight to the vehicle body structure, which at some point can begin to counteract the weight savings achieved by primarily using aluminum-based workpieces. Thus, the technical field would welcome advances in spot welding that would make the process better able to join steel and aluminum-based workpieces.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Gemäß einem ersten Aspekt wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels vorgeschlagen, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.According to a first aspect, the invention proposes a method for resistance spot welding a workpiece stack, which is characterized by the features of claim 1.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels vorgeschlagen, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 4 auszeichnet.According to a second aspect, the invention proposes a method for resistance spot welding a workpiece stack, which is characterized by the features of claim 4.

Und gemäß einem dritten Aspekt wird erfindungsgemäß ein mehrstufiges Punktschweißverfahren vorgeschlagen, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 7 auszeichnet.And according to a third aspect, the invention proposes a multi-stage spot welding method which is characterized by the features of claim 7.

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 workpiece stack comprising at least a steel workpiece and an aluminum-based workpiece may be resistance spot welded - such that a weld joint is formed at a butt interface of the steel and aluminum-based workpieces - using a multi-stage spot welding process. Multi-stage spot welding is applied by controlling the passage of an electric current between opposing spot welding electrodes and through the workpiece stack to perform multiple stages of weld joint development comprising: (1) a weld pool growth stage in which a weld molten pool is initiated and grown within the aluminum-based workpiece; (2) a weld pool solidification stage in which the weld pool is allowed to cool and solidify into a weld nugget that forms all or part of a weld joint; (3) a weld nugget remelting stage in which at least a portion of the weld nugget is remelted; (4) a remelted weld nugget solidification stage in which the remelted portion of the weld nugget is allowed to cool and solidify; and optionally (5) a metal ejection stage in which at least a portion of the remelted portion of the weld nugget is ejected along the butt 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 is a side elevational view of a workpiece stack including a steel workpiece and an aluminum-based workpiece located between opposing 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 opposing welding electrodes shown in 1 are depicted;
  • 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 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 was initiated and grown within the aluminum-based workpiece;
  • 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 is a partial cross-sectional view of the workpiece stack during a portion of the multi-stage welding process after the molten weld pool has been allowed to cool and solidify into a weld nugget which forms all or part of a weld joint;
  • 5 ist eine partielle Querschnittsansicht des Werkstückstapels während eines Teils des mehrstufigen Schweißverfahrens, in dem zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse erneut geschmolzen wurde; 5 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 the remelted portion of the weld nugget has been allowed 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 is a bottom perspective view of the workpiece stack in which the steel workpiece is shown in phantom to schematically illustrate the weld bonding area of the weld nugget as well as the possible additional weld bonding area that can be achieved as a result of remelting at least a portion of the weld nugget during the multi-stage welding process;
  • 8 ist ein Schweißplan, der einen einstufigen konstanten Strom zeigt, welcher herkömmlicherweise in Punktschweißanwendungen verwendet wurde; 8th is a welding plan showing a single stage constant current which has been traditionally used in spot welding applications;
  • 9 ist ein Schweißplan, der ein Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; 9 is a welding plan showing an example of the disclosed multi-stage spot welding process;
  • 10 ist ein Schweißplan, der ein anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; 10 is a welding plan showing another example of the disclosed multi-stage spot welding process;
  • 11 ist ein Schweißplan, der ein noch anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; 11 is a welding plan showing yet another example of the disclosed multi-stage spot welding process;
  • 12 ist ein Schweißplan, der ein noch anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt; und 12 is a welding plan showing yet another example of the disclosed multi-stage spot welding process; and
  • 13 ist ein Schweißplan, der ein noch anderes Beispiel des offenbarten mehrstufigen Punktschweißverfahrens zeigt. 13 is a welding plan showing yet another example of the disclosed multi-stage spot welding process.

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 a steel workpiece and an aluminum-based workpiece (aluminum or aluminum alloys) presents some notable challenges as discussed above. The surface oxide layer(s) present on the aluminum-based workpiece is difficult to break up and crush, which leads to weld defects at the butt interface in the form of microcracks and other imperfections caused by residual oxides during traditional spot welding techniques. In addition, the steel workpiece has 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 heat conductor. The resulting thermal gradient created between the workpieces during and just after the electric current flow tends to drive gas porosity and other disproportions in the weld pool, which include the residual oxide defects, towards and along the joint interface, and also contributes to the formation and growth of brittle Fe-Al intermetallic compounds at the joint 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 a 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 enables controlling the electrical current passed between opposing 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 is initiated and grown within the aluminum-based workpiece; (2) a weld pool solidification stage in which the 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 weld nugget remelting stage in which at least a portion of the weld nugget is remelted; (4) a remelted weld nugget solidification stage in which the remelted portion of the weld nugget is allowed to cool and solidify; and optionally (5) a metal ejection step in which at least a portion of the remelted portion of the weld nugget is ejected along the butt interface of the workpieces. These various stages of the disclosed method, particularly the weld nugget remelting step (stage 3), function to reduce and at least partially eliminate the adverse effects of the weld defects in the weld nugget that are believed to weaken the weld joint. The multi-stage spot welding process thus increases the strength, particularly the peel strength, of the finally formed weld joint that is placed in service.

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 Erfindung 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 as performed on a workpiece stack 10 using a welding gun 18 that 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. As shown in the 1-2 For example, as shown, the workpiece stack 10 may include only the steel and aluminum-based workpieces 10, 12. Of course, other metal workpieces may also be included in the stack 10, although not shown here, e.g., an additional steel workpiece or an additional aluminum-based workpiece. The term "workpiece" and its steel and aluminum-based variants are used broadly in the present invention to refer to a sheet metal layer, casting, continuous casting, or any other part that is resistance spot weldable, including any surface layers or coatings, if any.

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 an uncoated steel. Such workpieces include galvanized (zinc coated) low carbon steel, low carbon mild steel, galvanized, advanced high strength mild steel (AHSS), high-strength low alloy (HSLA) steel, and hot stamped boron steel. Some specific types of steel that may be used in the steel workpiece 12 are interstitial-free (IF) steel, dual phase (DP) steel, transformation-induced plasticity (TRIP) steel, and press hardened steel (PHS). As for the aluminum-based workpiece 14, it may be a coated or uncoated aluminum or aluminum alloy. Aluminum alloys contain 85 wt.% or more aluminum - e.g. B. 5XXX, 6XXX, and 7XXX series aluminum alloys - and can be used in many different hardness levels. Some types of aluminum alloys that can be used include aluminum-magnesium alloy, aluminum-silicon alloy, aluminum-magnesium-silicon alloy, aluminum-zinc alloy, any of which can be coated with zinc or a conversion coating to improve bondability if desired. Some specific aluminum alloys that can be used in the aluminum-based workpiece 14 are aluminum-magnesium alloys AA5754 and AA5182, aluminum-magnesium-silicon alloys AA6111 and AA6022, and aluminum-zinc alloy AA7003 and 7055.

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 Werkstücke12, 14 können, müssen aber nicht die gleichen sein.The steel and aluminum-based workpieces 12, 14 are assembled in an overlapping manner for resistance spot welding at a predetermined weld location 16 with the welding gun 18. When stacked for spot welding, the steel workpiece 12 includes a butt surface 20 and an outer surface 22. Likewise, the aluminum-based workpiece 14 includes a butt surface 24 and an outer surface 26. The butt surfaces 20, 24 of the two workpieces 12, 14 overlap and contact each other to provide a butt interface 28 at the weld location 16. The butt interface 28, as used herein, includes cases of direct contact between the butt surfaces 20, 24 of the workpieces 12, 14 as well as cases of indirect contact in which the butt surfaces 20, 24 do not touch but are in sufficiently close proximity to each other - such as when a thin layer of adhesive, sealant, or other intervening material is present - so that resistance spot welding can still be performed. The outer surfaces 22, 26 of the steel and aluminum alloy workpieces 12, 14, on the other hand, face away from each other in opposite directions. Each of the steel and aluminum-based workpieces 12, 14 preferably has a thickness 120, 140 that is in a range of from 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 location 16. The thicknesses 120, 140 of the workpieces 12, 14 may, but do not have to, be the same.

Die Schweißpistole 18 ist in 1 schematisch gezeigt und ist ein Teil eines grö-ßeren automatisierten Schweißablaufes innerhalb einer Produktionsumgebung. 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 is in 1 shown schematically and is part of a larger automated welding sequence within a manufacturing environment. For example, the welding gun 18 may be attached to a robot positioned near a conveyor belt or other transport device configured to deliver the stack of workpieces 10 (as well as others like it and others not like it) to the welding gun 18. The robot may be constructed to move the welding gun 18 along the stack of workpieces 10 once it has been delivered so that a rapid sequence of spot welds can be formed at many different weld locations 16. The welding gun 18 may also be a fixed pedestal welding gun in which the stack of workpieces 10 is handled and moved with respect to the welding gun 18 to enable the formation of multiple spot welds at different weld locations 16 around the stack 10. The welding gun 18 is, of course, intended to represent other types and arrangements of welding guns not specifically mentioned or described herein, provided they are capable of spot welding the workpiece stack 10 in accordance with 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 that are mechanically and electrically configured to repeatedly form spot welds according to a defined welding schedule. The first gun arm 30 has a first electrode holder 34 that holds a first spot welding electrode 36, and the second gun arm 32 has a second electrode holder 38 that holds a second spot welding electrode 40. The first and second spot welding electrodes 36, 40 are each preferably formed from an electrically conductive material such as a copper alloy. A specific example is a zirconium-copper alloy (ZrCu) that contains about 0.10 wt.% to about 0.20 wt.% zirconium and the balance copper. Copper alloys that meet this constituent composition, designated C15000, are preferred. Other copper alloy compositions that have suitable mechanical and electrical conductivity properties may also be used.

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 of the first and second spot welding electrodes 36, 40 are the portions of the electrodes 36, 40 that are pressed against and into opposite sides of the workpiece stack 10, which here are the outer surfaces 22, 26 of the workpieces 12, 14, during a spot welding operation. A wide range of electrode welding surface designs can be used for each spot welding electrode 36, 40. Each of the welding surfaces 42, 44 can be flat or curved and can further include surface features (e.g., surface roughness, knurled features, a plateau, etc.) such as described in 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. A mechanism for cooling the electrodes 36, 40 with water is also usually built into the gun arms 30, 32 and the electrode holders 34, 38 in order to influence the temperatures of the spot welding electrodes 36, 40.

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 share the same general configuration or may have a different configuration. For example, the welding face 42, 44 of each spot welding electrode 36, 40 may 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 narrower between 20 mm and 50 mm. Each welding face 42, 44 may further include a series of radially spaced knurled ridges projecting outwardly from a base of the welding face 42, 44. Such an electrode welding face configuration is quite useful when pressed into contact against an aluminum-based workpiece, as the knurled ridges function to pull apart and break up the surface oxide layer(s) on the aluminum-based workpiece to provide better electrical and mechanical contact at the electrode/workpiece interface. The same electrode welding surface design is also able to function efficiently when pressed into contact against the steel workpiece, mainly due to the radius of curvature. The ringed elevations have only a small effect on current 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 and 40, respectively, including ball, 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 press the welding surfaces 42, 44 of the spot welding electrodes 36, 40 against opposite sides of the workpiece stack 10. Here, the opposite sides of the workpiece stack 10, as shown in the 1-2 shown, the oppositely facing outer surfaces 22, 26 of the overlapping steel and aluminum-based workpieces 12, 14. For example, in this illustrated embodiment, the first and second gun arms 30, 32 have approximately orthogonal longitudinal axes, and the first gun arm 30 is movable along its longitudinal axis toward the second gun arm 32 by an actuator 24 such as an air cylinder or servo motor. An actuator controller 48 may cause compressed air to be supplied to the actuator 46 if the actuator 46 is an air cylinder, or may cause current/voltage to be supplied to the actuator 46 if the actuator 46 is a servo motor, to move the first gun arm 30 as intended to press 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 second welding surfaces 42, 44 are typically pressed against their respective outer surfaces 22, 26 in diametrical alignment with each other at the weld location 16.

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 pass an electrical current between the first and second spot welding electrodes 36, 40 - and through the workpiece stack 10 at the weld location 16 - when the welding surfaces 42, 44 of the electrodes 36, 40 are pressed against opposite sides of the stack 10. The electrical current may be supplied to the welding gun 18 from a controllable power supply 50. The power supply 50 is preferably a medium frequency direct current (MFDC) power supply that is electrically connected to the spot welding electrodes 36, 40. An MFDC power supply generally includes a transformer and a rectifier. The transformer "steps down" 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 an assembly of semiconductor diodes converts the supplied AC current 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 controlled by a welding controller 52 according to a programmed welding schedule. The welding controller 52, which cooperates with the actuator controller 48 (by means not shown), interfaces with the power supply 50 and determines the applied current level, duration and type (constant, pulsed, etc.) of electrical current applied between the spot welding electrodes 36, 40 to carry out the multi-stage spot welding process. In particular, the welding controller 52 instructs the power supply 50 to supply electrical current so as 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 weld pool growth stage, (2) the weld pool solidification stage, (3) the nugget remelting stage, (4) the remelted nugget solidification stage, and optionally (5) the metal ejection stage, each of which is 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 is positioned between the first and second spot welding electrodes 36, 40 such that the weld site 16 is generally aligned with the opposing weld surfaces 42, 44. The workpiece stack 10 may be placed in such a location, as is often the case when the gun arms 30, 32 are part of a fixed pedestal welder, or the gun arms 30, 32 may be robotically moved to position the electrodes 36, 40 with respect to the weld site 16. Once the stack 10 is properly positioned, the first and second gun arms 30, 32 approach each other relative to each other to bring the welding surfaces 42, 44 of the first and second welding electrodes 36, 40 into contact with opposite sides of the stack 10 at the weld location 16, which in this embodiment are the oppositely facing outer surfaces 22, 26 of the steel and aluminum-based workpieces 12, 14. tact and press against it, as in 3 . After making contact with the workpiece stack 10 under pressure, the first and second weld surfaces 42, 44 press into their respective opposite side surfaces of the stack 10. The resulting depressions from the opposite weld surfaces 42, 44 are referred to herein as a first footprint 54 and a second footprint 56.

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 welding electrodes 36, 40 are pressed against the workpiece stack 10 at the weld location 16. During the weld pool growth stage, a weld pool 58 is initiated and grown within the aluminum-based workpiece 14, as shown in 3 shown schematically. The weld pool 58 extends from the butt interface 28 of the workpieces 12, 14 into the aluminum-based workpiece 14. And it is predominantly composed of an aluminum-based material melt from the aluminum-based workpiece 14, since the steel workpiece 12 typically does not melt. The weld pool 58 can penetrate into the aluminum-based workpiece 14 a distance that is in a range of 20% to 100% (ie, the entire distance through the aluminum-based workpiece 14) of the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld location 16. The thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the welding point 16 is generally smaller than the thickness outside the welding point 16 due to the recess of the second contact surface 56 on the workpiece stack 10. The portion of the weld molten pool 58 adjacent to the butt interface 28 consequently wets the butt interface 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 Schwei-ßelektrode 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 weld pool 58 is initiated and grown by passing an electrical current between the spot welding electrodes 36, 40 and through the workpieces 14, 14 and across their butt interface 28 for a first period of time. The resistance to the flow of electrical current through the workpieces 12, 14 and across the butt interface 28 generates heat and initially heats the steel workpiece 12 faster than the aluminum-based workpiece 14. The heat generated ultimately initiates the weld pool 58 and then continues to grow the weld pool 58 to its desired size. In fact, at the beginning of the electrical current flow, when the second footprint 56 has the smallest area and the current density is the highest, the weld pool 58 rapidly initiates and grows and penetrates the aluminum-based workpiece 14. Since the area of the second contact surface 56 formed by the welding surface 44 of the second welding electrode 40 becomes larger in the course of the electric current flow, the electric current density decreases and the weld molten pool 58 grows more laterally in the vicinity of the butt interface 28.

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 weld pool growth step is performed, the level of electrical current applied and the duration of the first period depend on several factors. The primary factors affecting the electrical current level and duration are the thicknesses 120, 140 of the steel and aluminum-based workpieces 12, 14 at the weld 16 and the precise compositions of the workpieces 12, 14. However, in some cases, the electrical current passed during the weld pool growth step is a constant direct current (DC) having a current level between 4 kA and 40 kA and the duration of the electrical current flow is between 50 ms and 500 ms. Alternatively, the electrical current may be pulsed, with the continuous electrical current consisting of a plurality of current pulses during the first period. Each of the current pulses may 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 lasting from 1 ms to 100 ms between pulses. Other current levels and duration of the initial period may of course be used and indeed those skilled in the art will have the knowledge and understanding of how to adjust these parameters accordingly to suit 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 grown, the weld pool solidification step is performed. During the weld pool solidification step, the weld pool is allowed to cool and solidify into a weld nugget 60 that forms all or part of a weld joint 62 as shown in 4 The cooling and solidification of the weld pool 58 may be accomplished over a second period of time in one of two ways. First, the passage of electrical current between the first and second spot welding electrodes 36, 40 may be terminated. And second, if terminating the flow of electrical current altogether is not desired, an electrical current at a reduced level may be passed between the first and second spot welding electrodes 36, 40 that would not be able to maintain the molten state of the weld pool 58, so as to allow the weld pool 58 to cool and solidify, albeit at a slower rate than if the electrical current flow is completely stopped. Again, as before, the duration of the second period of time and the reduced current level (which allows solidification to occur) may vary depending on the thicknesses 120, 140 of the workpieces 12, 14 at the weld 16 and the actual compositions of the workpieces 12, 14. Applying an electrical current below 5 kA or terminating the current for between 50 ms and 1000 ms is usually sufficient for the molten weld pool 58 to solidify into the weld nugget 60.

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 weld nugget 60 extends a distance up to a penetration depth 64 from the butt interface 28 into the aluminum-based workpiece 14. The penetration depth 64 of the weld nugget 60 may range from 20% to 100% (i.e., the entire distance through the aluminum-based workpiece 14) of the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld location 16. As before, the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld location 16 is typically less than the thickness outside the weld location 16 due to the recess of the second footprint 56 on the workpiece stack 10. In addition, the weld nugget 60 defines a weld bond area 66, as in 7 which is the surface of the weld nugget 60 adjacent and bonded to the abutment surface 20 of the steel workpiece 12 via intervening Fe-Al intermetallic reaction layers. The weld bond area 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 location 16 prior to the formation of the second footprint 56. Stated another way, in calculating the preferred weld bond area 4(π)(t), the thickness "t" of the aluminum-based workpiece 14 is the original thickness of the workpiece 14 as measured prior to the depression of the weld surface 44 of the second welding electrode 40. The weld bond area 66 can be varied as desired by influencing the size of the weld pool 58 grown in the weld pool growth stage.

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 weld nugget 60 may include weld defects distributed at and along the butt interface 28 within the weld bond surface 66. These defects - which may include gas porosity, shrinkage voids, microcracking, and surface oxide residues - are believed to be cracked toward the butt interface 58 during solidification of the weld molten pool 58, where they tend to weaken the strength of the weld joint 62, particularly the peel strength, as previously explained. The weld joint 62, in addition to the weld nugget 60, may also include one or more thin reaction layers of Fe-Al intermetallic compounds (not shown) on the steel workpiece 12 and adjacent to the butt interface 28, as previously stated. These layers are produced primarily as a result of a reaction between the weld molten pool 58 and the steel workpiece 12 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 negatively affects the strength of the overall weld joint 62.

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 joint 62 is formed, the weld nugget remelting step is performed. During the weld nugget remelting step, at least a portion 68 of the weld nugget 60 is remelted as shown in 5 The remelted portion 68 of the weld nugget 60 preferably includes at least a portion of the weld bond surface 66 created during the weld pool solidification stage. It also typically does not extend all the way to the penetration depth 64 of the weld nugget 60. The reduced penetration of the remelted portion 68 occurs at the time of the nugget remelting stage when the weld surface 44 of the second spot welding electrode 40 has further indented into the workpiece stack 10 and the size of the second footprint 56 has increased accordingly, meaning that an electrical current is conducted over a wider area between the spot welding electrodes 36, 40, which has the effect of promoting remelting closer to the butt interface 28 with less penetration into the aluminum-based workpiece 14. The remelted portion 68 of the weld nugget 60 may also be completely confined within the weld bonding surface 66, or it may enclose the entire weld bonding surface 66 and actually combine with freshly melted material from the aluminum-based workpiece 14 outside and adjacent to the weld bonding surface 66 to form an enlarged weld bonding surface 70 ( 7 ). The area of the enlarged weld bond area 70, when created, may be up to 50% larger than the weld bond area 66 of the weld nugget 60 prior to 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 weld nugget 60 is at least partially remelted by passing an electric current between the point welding electrodes 36, 40 and through the workpieces 12, 14. The passage of electrical current here generally occurs at a higher level than in the weld pool growth stage because the weld surface 40 of the second spot welding electrode 40 is further depressed into the workpiece stack 10 and the butt interface 28 is less prone to generating heat within the weld 16 because the weld joint 62 is more electrically conductive than the different, unjoined butt surfaces 20, 24 of the workpieces 12, 14. Again, the level of electrical current applied and the duration of the third time period are dependent on the thicknesses 120, 140 of the steel and aluminum-based workpieces 12, 14 at the weld 16 and the precise compositions of the workpieces 12, 14. However, in some cases, the electric current passed during the nugget remelting stage may be a constant direct current (DC) having a current level between 10 kA and 50 kA, and the duration of the electric current flow may be between 100 ms and 2000 ms. The electric current may 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 nugget remelting stage is preferably in the form of current pulses which may or may not increase in the applied current level over the third time period. As before, the continuous electrical current, when pulsed, consists of a plurality of current pulses supplied over the third time period. Each current pulse may last from 10 ms to 200 ms and have a peak current level of between, for example, 15 kA and 50 kA, with periods of zero current flow lasting from, for example, 1 ms to 100 ms between pulses. The current pulses may also be said to increase in the applied current level if at least 75% of the current pulses, and preferably 100%, reach a peak current level higher than the peak current level of the immediately preceding current pulse. The use of current pulses may be practiced in the nugget remelting stage for a variety of reasons. First and foremost, the use of current pulses helps prevent excessive penetration of the remelted portion 68 of the weld nugget 60 by keeping the electrode or workpiece cool, which also has the advantage of preserving the life of the second welding electrode 40.

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 positively affects the strength, including the peel strength, of the ultimately formed weld joint 62 which is placed in service. Without being bound by theory, it is believed that the remelting of the weld nugget 60, particularly the weld bonding surface 66, at the butt interface 28 cleans out the various weld defects driven to and along the butt interface 28 during solidification of the molten weld pool 58, thereby improving the ability of the weld nugget 60 to bond to the butt interface 20 of the steel workpiece 12. For example, it is believed that For example, it is believed that the creation of the remelted portion 68 will densify entrained gas porosity near the center of the weld nugget 60 and possibly release some gas from the remelted portion 68, while thermal expansion and contraction of the weld nugget 60 during remelting is believed to break up and disperse residual oxides and microcracks that may be present at or near the weld bond surface 66.

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.Following the remelt weld nugget melting step, the remelted weld nugget solidification step is performed. During the remelted weld nugget solidification step, the remelted portion 68 of the weld nugget 60 (as well as any remelted material of the aluminum-based workpiece 14 outside of the original weld bond area 66) is allowed to cool and solidify as shown in 6 , preferably while the first and second spot welding electrodes 36, 40 are still pressed against the workpiece stack 10. The resolidified portion 72 of the weld nugget 60 resulting from the remelted portion 68 is shown here as a separate part of the weld nugget 60, although in actual practice the resolidified portion 72 may not be easily distinguished from the portion(s) of the weld nugget 60 (if any) undergoing remelting and resolidification. And, as discussed above, the resolidified portion 72 of the weld nugget 60 is believed to contain fewer weld defects at or near the butt interface 28 than would otherwise be present had the nugget remelting step not been used. To be certain, it is not uncommon for workpiece stacks subjected to the multi-stage spot welding process to obtain peel strengths of at least 100% greater than the same workpiece stacks 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 re-melting stage of the weld nugget, but before the solidification stage of the remelted weld nugget. During the metal ejection stage, at least a portion of the remelted portion 68 of the weld nugget 60 is heated to an extent that the hydraulic seal created at the weld 16 is broken, resulting in the abutting surfaces 20, 24 of the steel and aluminum-based workpieces 12, 14 (as well as the first and second spot welding electrodes 36, 40) being briefly forced apart. The remelted portion 68 of the weld nugget 60, and possibly some of the remelted material of the aluminum-based workpiece 14 outside of the original weld bond surface 66, if any, at this time are ejected or splashed out laterally along the abutting interface 28 outside of the weld bond surface 66 until the workpieces eventually collapse due to the loss of molten material and the applied pressure of the first and second spot welding electrodes 36, 40. Such metal expulsion, when applied, is believed to help further clean the weld nugget 60 of weld defects by physically expelling the defects from the weld bonding surface 66 (or enlarged weld bonding surface 70, if applicable). While metal expulsion is believed to be beneficial, heating of the remelted portion 68 is controlled such that the thickness 140 of the aluminum-based workpiece 14 at the weld location 16 is not reduced to less than 50% of its original thickness measured prior to indentation of the weld surface 44 of the second welding electrode 30 as a result of the metal expulsion step.

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 may be accomplished by passing an electric current between the spot welding electrodes 36, 40 and through the workpieces 12, 14 in one or two ways. First, the third period of time may be set so that the passage of electric current continues during the nugget remelting stage and ultimately causes metal ejection at the end of the third period of time. The nugget remelting stage and the metal ejection stage may thus overlap. When this option is pursued, the third period of time will typically last 100 ms or more, although shorter and longer periods are undoubtedly possible depending on the thicknesses 120, 140 and compositions of the workpieces 12, 14. Second, after the third time period associated with the nugget remelting stage, an electric current may be passed for a fourth time period during which the electric current is increased to a higher level than the electric current passed during the third time period. For example, in this scenario, a direct current may be passed having a constant current level between 20 kA and 50 kA, and the duration of the electric current flow over the fourth time 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 Punktschwei-ßelektrode 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 results in the formation of the weld joint 62, including the weld nugget 60 having the resolidified portion 72, the first and second spot welding electrodes 36, 40 are withdrawn from their respective support surfaces 54, 56. The workpiece stack 10 is then sequentially placed at other weld locations 16 relative to the welding gun 18 and the multi-stage spot welding process is repeated at those locations 16, or the workpiece stack 10 is moved away from the welding gun 18 to make room for another stack. The multi-stage spot welding process described above can thus be performed many times at different weld locations on the same workpiece stack, as well as on different workpiece stacks in a production environment, to successfully, consistently, 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 Punktschwei-ßelektroden 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 welding schedule of a conventional spot welding process using a single-stage, constant electric current to weld a 1.2 mm 6022 aluminum alloy workpiece to a 1.0 mm hot-dip galvanized low carbon steel workpiece is also shown for comparison purposes in 8th Here, as can be seen, an electric current at a constant current level (after a rapid initial ramp-up) of 16 kA is passed between the spot welding electrodes and through the workpiece stack for 500 ms under a force of 800 pounds. In contrast, as described in Examples 1-5 below and in the 9-13 illustrated, spot welds are formed by controlling passage of an electric current between the spot welding electrodes and through the workpiece stacks to perform a weld pool growth stage, a weld pool solidification stage, a weld nugget remelting stage, and a remelted weld nugget solidification stage. Additionally, each of the examples utilizes an optional metal ejection stage before the solidification stage of the re-melted weld nugget.

Beispiel 1example 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 mm 6022 aluminum alloy workpiece was spot welded to a 1.0 mm hot-dip galvanized low carbon steel workpiece using the multi-stage spot welding process under a force of 800 pounds applied by the spot welding electrodes. The welding schedule is shown in 9 As shown, first, an electric current at a constant level of 17 kA was passed through the workpieces for a first period of 125 ms to initiate and grow a molten weld pool within the aluminum alloy workpiece. Next, the passage of electric current was terminated, i.e., reduced to 0 kA, for a second period of 500 ms to solidify the molten weld pool into a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic layers, formed a weld joint between the steel and aluminum alloy workpieces. 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 expulsion at the butt 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 of time, the passage of electric current was again stopped while the force of the electrodes was maintained to solidify the re-melted 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 Spitzenspannungspegeljedes 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, which is in 10 As shown, a 1.2 mm 6022 aluminum alloy workpiece was spot welded to a 1.0 mm hot-dip galvanized low carbon steel workpiece using the multi-stage spot welding process under a force of 700 pounds applied by the spot welding electrodes. As shown, an electric current at a constant current level of 15 kA was passed through the workpieces for a first period of 300 ms to initiate and grow a molten 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 molten weld pool into a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic layers, formed a weld joint between the steel and aluminum alloy workpieces. The electric current was then passed in the form of seven current pulses to remelt at least a portion of the weld nugget and also to cause metal expulsion at the butt 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 while the current level increased and then dropped to 0 kA for a period of 25 ms between pulses, and the peak voltage levels of each pulse increased over its immediately succeeding pulse (16.5 kA < 17.2 kA < 17.8 kA < 18.5 kA < 19.1 kA < 19.8 kA < 20.4 kA). After the seventh and final current pulse, the passage of the electric current was again stopped while the force of the electrodes was maintained to solidify the re-melted 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, which is in 11 As shown, a 2.0 mm 6022 aluminum alloy workpiece was spot welded to a 1.0 mm hot-dip galvanized low carbon steel workpiece using the multi-stage spot welding process under a force of 800 pounds applied by the spot welding electrodes. As shown, an electric current at a constant current level of 17 kA was passed through the workpieces for a first period of 125 ms to initiate and grow a molten 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 molten weld pool into a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic layers, formed a weld joint between the steel and aluminum alloy workpieces. The electric current was then passed through in the form of twenty-seven current pulses for a third period of approximately 960 ms to remelt at least a portion of the weld nugget and also to cause metal expulsion 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 for a period of 24 ms between pulses. After the twenty-seventh and final current pulse, the passage of the electric current was again terminated while the force of the electrodes was maintained to solidify the remelted portion of the weld nugget.

Beispiel 4Example 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, which is in 12 As shown, a 1.2 mm 6022 aluminum alloy workpiece was spot welded to a 2.0 mm hot-dip galvanized low carbon steel workpiece using the multi-stage spot welding process under a force of 600 pounds applied by the spot welding electrodes. Here, an electric current at a constant level of 13 kA was passed through the workpieces for a first period of 250 ms to initiate and grow a molten 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 molten weld pool into a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic compound layers, formed a weld joint between the steel and aluminum alloy workpieces. The electric current was then passed through in the form of eight current pulses for a third period of approximately 910 ms to remelt at least a portion of the weld nugget and also to cause metal expulsion at the impact interface. Specifically, each current pulse reached a current level of 14 kA and maintained that level for 100 ms before dropping to 0 kA for a period of 15 ms between pulses. After the eighth and final current pulse, the passage of the electric current was again stopped while the force of the electrodes was maintained 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, which is in 13 As shown, a 2.0 mm 6022 aluminum alloy workpiece was spot welded to a 2.0 mm hot dip galvanized low carbon steel workpiece using the multi-stage spot welding process under a force of 1200 pounds applied by the spot welding electrodes. To begin, an electric current in the form of 20 current pulses was passed over an initial period of approximately 400 ms as shown to initiate and grow a molten weld pool within the aluminum alloy workpiece. Each current pulse reached a current level of 20 kA and maintained that level for 16 ms before decaying to 0 kA for a period of 4 ms between pulses. Next, the passage of electric current was stopped for a second period of 1000 ms to solidify the weld pool into a weld nugget which, together with one or more Fe-Al intermetallic layers, formed a weld between the steel and aluminum alloy workpieces. The electric current was then passed in the form of twelve current pulses for a third period of approximately 480 ms to remelt at least a portion of the weld nugget and also to cause metal expulsion at the butt interface of the workpieces. Each current pulse reached a current level of 38 kA and maintained this level for 16 ms before dropping to 0 kA for a period of 25 ms between pulses. After the twelfth and final current pulse, the passage of electric current was again stopped while the force of the electrodes was maintained to solidify the remelted portion of the weld nugget.

AbschälfestigkeitsvergleichPeel strength comparison

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. 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 (8) 90 Mehrstufig (9) 220 Mehrstufig (10) 290 Mehrstufig (11) 260 Mehrstufig (12) 400 Mehrstufig (13) 810 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 processes ( 9-13 ). Weld peel strength is a property of note for welds. This is especially true for welds in conjunction with a structural adhesive, as adhesives generally provide shear strength but perform poorly when peeled. The peel strengths reported here were measured using T-peel specimens. The T-peel specimens 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 fitted together and a weld joint was formed between the mating surfaces according to the spot welding procedures detailed above. The long legs of the resulting T-peel specimens were mounted in a tensile testing machine and then pulled until the weld failed. The maximum load in Newtons (N) is reported as the peel strength. 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 single-stage spot welding process. COMPARISON OF PEEL STRENGTHS Spot welding process Peel strength (N) Conventional ( 8th ) 90 Multi-stage ( 9 ) 220 Multi-stage ( 10 ) 290 Multi-level ( 11 ) 260 Multi-level ( 12 ) 400 Multi-level ( 13 ) 810

Claims (7)

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels (10), der ein Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst, um eine Widerstandspunktschweißverbindung (62) zwischen dem Werkstück (14) und dem Stahlwerkstück (12) zu bilden, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel (10) mit einem Paar Punktschweißelektroden (36, 40) in Kontakt gebracht wird, sodass die Punktschweißelektroden (36, 40) einen Kontakt mit entgegengesetzten Seiten (22, 26) des Werkstückstapels (10) herstellen, wobei der Werkstückstapel (10) ein Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst, wobei das Werkstück (14) eine Stoßfläche (24) aufweist und das Stahlwerkstück (12) eine Stoßfläche (20) aufweist und wobei die Stoßflächen (20, 24) des Werkstückes (14) und des Stahlwerkstückes (12) einander überlappen und miteinander in Kontakt stehen, um eine Stoß-Grenzfläche (28) zwischen den Werkstücken (12, 14) vorzusehen; und der Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen den Punktschweißelektroden (36, 40) und durch das Werkstück (14) und das Stahlwerkstück (12) hindurch gesteuert wird, um mehrere Stufen einer Schweißverbindungsentwicklung (62) auszuführen, welche umfassen, dass: ein Schweißschmelzbad (58) in dem Werkstück (14) zum Wachsen gebracht wird, das sich von der Stoß-Grenzfläche (28) in das Werkstück (14) hinein erstreckt; zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad (58) abkühlt und zu einer Schweißlinse (60) erstarrt, die eine Schweißbindungsfläche (66) umfasst, die an die Stoßfläche (20) des Stahlwerkstückes (12) gefügt ist; zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse (60), der zumindest einen Teil der Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) umfasst, erneut geschmolzen wird; zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) abkühlt und erstarrt; dadurch gekennzeichnet , dass das Werkstück (14) ein aluminiumbasiertes Werkstück (14) ist; wobei sich die Schweißlinse (60) in das aluminiumbasierte Legierungswerkstück (14) hinein von der Stoßfläche (24) bis zu einer Eindringtiefe (64) erstreckt und wobei sich der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse nicht bis zu der Eindringtiefe (64) der Schweißlinse (60) erstreckt; und/oder wobei der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) die gesamte Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) umfasst und sich ferner mit einer Materialschmelze des aluminiumbasierten Legierungswerkstückes (14) außerhalb der Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) kombiniert, um eine vergrößerte Schweißbindungsfläche (70) herzustellen; und/oder wobei zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts der Schweißlinse (60) an der Stoß-Grenzfläche (28) ausgestoßen wird.A method of resistance spot welding a workpiece stack (10) comprising a workpiece (14) and a steel workpiece (12) to form a resistance spot weld joint (62) between the workpiece (14) and the steel workpiece (12), the method comprising: contacting a workpiece stack (10) with a pair of spot welding electrodes (36, 40) such that the spot welding electrodes (36, 40) make contact with opposite sides (22, 26) of the workpiece stack (10), the workpiece stack (10) comprising a workpiece (14) and a steel workpiece (12), the workpiece (14) having an abutment surface (24) and the steel workpiece (12) having an abutment surface (20), and the abutment surfaces (20, 24) of the workpiece (14) and the steel workpiece (12) overlapping and contacting each other to form an abutment interface (28) between the workpieces (12, 14); and controlling the passage of an electric current between the spot welding electrodes (36, 40) and through the workpiece (14) and the steel workpiece (12) to perform a plurality of stages of weld joint development (62) comprising: growing a molten weld pool (58) in the workpiece (14) extending from the abutting interface (28) into the workpiece (14); allowing the molten weld pool (58) to cool and solidify into a weld nugget (60) comprising a weld bonding surface (66) joined to the abutting surface (20) of the steel workpiece (12); remelting at least a portion of the weld nugget (60) comprising at least a portion of the weld bonding surface (66) of the weld nugget (60); the remelted portion of the weld nugget (60) is allowed to cool and solidify; characterized in that the workpiece (14) is an aluminum-based workpiece (14); wherein the weld nugget (60) extends into the aluminum-based alloy workpiece (14) from the abutment surface (24) to a penetration depth (64) and wherein the remelted portion of the weld nugget does not extend to the penetration depth (64) of the weld nugget (60); and/or wherein the remelted portion of the weld nugget (60) comprises the entire weld bonding surface (66) of the weld nugget (60) and further combines with a molten material of the aluminum-based alloy workpiece (14) outside the weld bonding surface (66) of the weld nugget (60) to produce an enlarged weld bonding surface (70); and/or wherein at least a portion of the remelted portion of the weld nugget (60) is ejected at the impact interface (28). Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein elektrischer Strom in der Form von Stromimpulsen zwischen die Punktschweißelektroden (36, 40) geleitet wird, um zumindest einen Abschnitt der Schweißlinse (60) erneut zu schmelzen.Procedure according to Claim 1 wherein an electric current in the form of current pulses is passed between the spot welding electrodes (36, 40) to re-melt at least a portion of the weld nugget (60). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vergrößerte Schweißbindungsfläche (70) in der Fläche um bis zu 50 % größer ist als die Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) vor dem erneuten Schmelzen.Procedure according to Claim 1 , wherein the enlarged weld bonding area (70) is up to 50% larger in area than the weld bonding area (66) of the weld nugget (60) before remelting. Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels (10), der ein aluminiumbasiertes Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst, um eine Widerstandspunktschweißverbindung (62) zwischen dem aluminiumbasierten Werkstück (14) und dem Stahlwerkstück (12) zu bilden, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel (10) vorgesehen wird, der ein aluminiumbasiertes Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst, wobei das aluminiumbasierte Werkstück (14) eine Stoßfläche (24) aufweist und das Stahlwerkstück (12) eine Stoßfläche (20) aufweist und wobei die Stoßflächen (20, 24) der Werkstücke (12, 14) einander überlappen und miteinander in Kontakt stehen, um eine Stoß-Grenzfläche (28) zwischen den Werkstücken (12, 14) vorzusehen; ein elektrischer Strom durch das aluminiumbasierte Legierungswerkstück (14) und das Stahlwerkstück (12) hindurch und über die Stoß-Grenzfläche (28) hinweg für eine erste Zeitspanne geleitet wird, während der ein Schweißschmelzbad (58), das sich von der Stoß-Grenzfläche (28) in das aluminiumbasierte Werkstück (14) hinein erstreckt, initiiert und zum Wachsen gebracht wird; zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad (58) abkühlt und zu einer Schweißlinse (60) erstarrt, indem für eine zweite Zeitspanne nach dem Leiten von elektrischem Strom für die erste Zeitspanne ein elektrischer Strom bei einem reduzierten Pegel durch die Werkstücke (12, 14) hindurch geleitet wird, der das Erstarren des Schweißschmelzbades (58) zulässt; und ein elektrischer Strom, nachdem die Schweißlinse (60) während der zweiten Zeitspanne erstarrt ist, für eine dritte Zeitspanne durch das aluminiumbasierte Legierungswerkstück (14) und das Stahlwerkstück (12) hindurch geleitet wird, während zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse (60) erneut geschmolzen wird.A method of resistance spot welding a workpiece stack (10) comprising an aluminum-based workpiece (14) and a steel workpiece (12) to form a resistance spot weld joint (62) between the aluminum-based workpiece (14) and the steel workpiece (12), the method comprising: providing a workpiece stack (10) comprising an aluminum-based workpiece (14) and a steel workpiece (12), the aluminum-based workpiece (14) having a butt surface (24) and the steel workpiece (12) having a butt surface (20), and the butt surfaces (20, 24) of the workpieces (12, 14) overlapping and contacting each other to provide a butt interface (28) between the workpieces (12, 14); passing an electric current through the aluminum-based alloy workpiece (14) and the steel workpiece (12) and across the butt interface (28) for a first period of time during which a molten weld pool (58) extending from the butt interface (28) into the aluminum-based workpiece (14) is initiated and grown; allowing the molten weld pool (58) to cool and solidify into a weld nugget (60) by passing an electric current through the workpieces (12, 14) at a reduced level for a second period of time after passing electric current for the first period of time that allows the molten weld pool (58) to solidify; and after the weld nugget (60) has solidified during the second period of time, an electric current is passed through the aluminum-based alloy workpiece (14) and the steel workpiece (12) for a third period of time while at least a portion of the weld nugget (60) is remelted. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schweißlinse (60) eine Schweißbindungsfläche (66) umfasst, die an eine Stoßfläche (20) des Stahlwerkstückes (12) an der Stoß-Grenzfläche (28) gefügt ist, und wobei der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) die gesamte Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) umfasst und sich ferner mit einer Materialschmelze des aluminiumbasierten Legierungswerkstückes (14) außerhalb der Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) kombiniert und wobei nach dem Abkühlen und Erstarren der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) und die Materialschmelze des aluminiumbasierten Legierungswerkstückes (14) außerhalb der Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) eine vergrößerte Schweißbindungsfläche (70) herstellen.Procedure according to Claim 4 , wherein the weld nugget (60) comprises a weld bonding surface (66) which is bonded to an abutment surface (20) of the steel workpiece (12) at the abutment interface (28) and wherein the remelted portion of the weld nugget (60) comprises the entire weld bonding surface (66) of the weld nugget (60) and further combines with a molten material of the aluminum-based alloy workpiece (14) outside the weld bonding surface (66) of the weld nugget (60), and wherein after cooling and solidifying, the remelted portion of the weld nugget (60) and the molten material of the aluminum-based alloy workpiece (14) outside the weld bonding surface (66) of the weld nugget (60) create an enlarged weld bonding surface (70). Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend, dass: zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts der Schweißlinse (60) an der Stoß-Grenzfläche (28) ausgestoßen wird.Procedure according to Claim 4 further comprising: expelling at least a portion of the remelted portion of the weld nugget (60) at the butt interface (28). Mehrstufiges Punktschweißverfahren, umfassend, dass: ein Paar Punktschweißelektroden (36, 40) gegen einen Werkstückstapel (10) gepresst wird, sodass die Punktschweißelektroden (36, 40) gegen entgegengesetzte Seiten (22, 26) des Werkstückstapels (10) gepresst werden, wobei der Werkstückstapel (10) ein aluminiumbasiertes Werkstück (14) und ein Stahlwerkstück (12) umfasst; ein Schweißschmelzbad (58) in dem aluminiumbasierten Werkstück zum Wachsen gebracht wird, das sich von einer Stoß-Grenzfläche (28) des Stahlwerkstückes (12) und des aluminiumbasierten Werkstückes (14) in das aluminiumbasierte Werkstück (14) hinein erstreckt; zugelassen wird, dass das Schweißschmelzbad (58) zu einer Schweißlinse (60) erstarrt, die eine Schweißbindungsfläche (66) umfasst, die an eine Stoßfläche (20) des Stahlwerkstückes (12) an der Stoß-Grenzfläche (28) gefügt ist, wobei vor dem erneuten Schmelzen zumindest eines Abschnitts der Schweißlinse (60) die Schweißbindungsfläche (66) der Schweißlinse (60) zumindest 4(π)(t) ausmacht, wobei t eine Dicke des aluminiumbasierten Werkstückes (14) an der Schweißstelle ist; zumindest ein Abschnitt der Schweißlinse (60), der zumindest einen Teil der Schweißbindungsfläche (66) umfasst, erneut geschmolzen wird; zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) zu einem wieder erstarrten Abschnitt der Schweißlinse (60) erstarrt; und zumindest ein Teil des erneut geschmolzenen Abschnitts der Schweißlinse (60) an der Stoß-Grenzfläche (28) ausgestoßen wird, bevor zugelassen wird, dass der erneut geschmolzene Abschnitt der Schweißlinse (60) erstarrt.A multi-stage spot welding process comprising: pressing a pair of spot welding electrodes (36, 40) against a workpiece stack (10) such that the spot welding electrodes (36, 40) are pressed against opposite sides (22, 26) of the workpiece stack (10), the workpiece stack (10) comprising an aluminum-based workpiece (14) and a steel workpiece (12); growing a molten weld pool (58) in the aluminum-based workpiece that extends from a butt interface (28) of the steel workpiece (12) and the aluminum-based workpiece (14) into the aluminum-based workpiece (14); allowing the molten weld pool (58) to solidify into a weld nugget (60) comprising a weld bond surface (66) joined to a butt surface (20) of the steel workpiece (12) at the butt interface (28), wherein prior to remelting at least a portion of the weld nugget (60), the weld bond surface (66) of the weld nugget (60) is at least 4(π)(t), where t is a thickness of the aluminum-based workpiece (14) at the weld location; remelting at least a portion of the weld nugget (60) comprising at least a portion of the weld bond surface (66); allowing the remelted portion of the weld nugget (60) to solidify into a resolidified portion of the weld nugget (60); and expelling at least a portion of the remelted portion of the weld nugget (60) at the butt interface (28) before allowing the remelted portion of the weld nugget (60) to solidify.
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