DE102014114334B4

DE102014114334B4 - Widerstandspunktschweissen von stahl- und aluminiumwerkstücken unter verwendung einer einsetzbaren abdeckung

Info

Publication number: DE102014114334B4
Application number: DE102014114334.5A
Authority: DE
Inventors: Blair E. Carlson; David Yang; David R. Sigler; Robert T. Szymanski; Anil K. Sachdev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: DE102014114334A1

Abstract

Verfahren zum Widerstandspunktverschweißen eines Stahlwerkstückes (14) und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes (16), wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Werkstückstapel (12) vorgesehen wird, der ein Stahlwerkstück (14) und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) umfasst, sowie eine erste Schweißelektrode (24), die dem Stahlwerkstück (14) gegenübersteht, und eine zweite Schweißelektrode (28), die dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) gegenübersteht, vorgesehen werden;eine Abdeckung (36) zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schweißelektrode (28) eingesetzt wird, wobei die Abdeckung (36) aus einem Metall hergestellt ist;an einer Schweißstelle die erste Schweißelektrode (24) gegen das Stahlwerkstück (14) und die zweite Schweißelektrode (28) gegen die Abdeckung (36) gepresst wird; undein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schwei-ßelektrode (24, 28), durch den Werkstückstapel (12) und durch die Abdeckung (36) hindurch geleitet wird, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes (16) zu initiieren und zum Wachsen zu bringen; dadurch gekennzeichnet , dass(i) die Abdeckung (36) eine Abdeckungsplatte (42) ist, die austauschbar durch einen Arm (38) getragen ist, der verschwenkbar mit einem Schweißpistolenarm (20) der zweiten Schweißelektrode (28) verbunden ist, und wobei das Einsetzen der Abdeckungsplatte (42) zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schwei-ßelektrode (28) umfasst, dass der Arm (38) um seine Schwenkverbindung zu dem Schweißpistolenarm (20) zwischen einer ersten Position, in der die Abdeckungsplatte (42) eingesetzt ist, und einer zweiten Position, in der die Abdeckungsplatte (42) nicht zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schweißelektrode (28) eingesetzt ist, gedreht wird;und/oder dass(ii) die Abdeckung (36) ein Abschnitt eines abtrennbaren Abdeckungsbandes (62) ist, das eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,4 mm aufweist, und wobei das Abdeckungsband (62) durch einen Arm (38) geführt ist, der mit einem Schweißpistolenarm (20) der zweiten Schweißelektrode (28) verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren das Widerstandspunktverschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes.
Ein Verfahren zum Widerstandspunktverschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geht der Art nach aus der US 2013 / 0 189 023 A1 hervor. Die JP H07 - 328 774 A beschreibt ein ähnliches Verfahren.
HINTERGRUND
Widerstandspunktschweißen wird in 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 von, unter anderen Fahrzeugteilen, einer/s Fahrzeugtür, -haube, -kofferraumdeckels oder -heckklappe aneinander zu fügen. Es werden in der Regel mehrere einzelne Widerstandspunktschweißnähte entlang eines Umfangsbereiches der Werkstücke oder an einem anderen Bindungsgebiet gebildet, um sicherzustellen, dass das Fahrzeugteil strukturell einwandfrei ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte, ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke - z. B. Stahl an Stahl und Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung - aneinander zu fügen, hat der Wunsch, leichtgewichtigere Materialien in eine Fahrzeugplattform einzubauen, das Interesse am Fügen von Stahlwerkstücken an Aluminium- oder Aluminiumlegierungs (hierin der Kürze wegen nachfolgend kollektiv als „Aluminium“ bezeichnet)-Werkstücke durch Widerstandspunktschweißen mit sich gebracht. Überdies würde die Fähigkeit zum Widerstandspunktschweißen von Werkstückstapeln, die verschiedene Werkstückkombinationen (z. B. Aluminiumlegierung/Aluminiumlegierung, Stahl/Stahl und Aluminiumlegierung/Stahl) enthalten, mit einem Anlagenteil die Produktionsflexibilität steigern und Herstellungskosten senken.
Das Widerstandspunktschweißen im Allgemeinen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stromes durch in Kontakt stehende Metallwerkstücke und über ihre Stoß-Grenzfläche hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Widerstandsschweißprozess durchzuführen, wird ein Paar gegenüberliegender Schweißelektroden in der Regel an ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten der Werkstücke an einer vorbestimmten Schweißstelle eingespannt. Dann wird ein elektrischer Strom durch die Werkstücke hindurch von einer Schweißelektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Werkstücke und an ihrer Stoß-Grenzfläche. Wenn die Metallwerkstücke, die geschweißt werden, ein Stahlwerkstück und ein Aluminium-Werkstück sind, initiiert die an der Stoß-Grenzfläche erzeugte Wärme ein Schweißschmelzbad in dem Aluminium-Werkstück. Dieses Aluminium-Schweißschmelzbad benetzt die benachbarte Fläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach dem Anhalten des Stromflusses zu einer Aluminium-Schweißlinse, die eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung zwischen den beiden Metallwerkstücken bildet.
Das Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein Aluminium-Werkstück bringt bestimmte Herausforderungen mit sich. Zum einen weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt und einen relativ hohen thermischen und elektrischen Widerstand auf, während Aluminium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und einen relativ niedrigen thermischen und elektrischen Widerstand aufweist. Infolge dieser Unterschiede schmilzt Aluminium schneller und bei einer viel niedrigeren Temperatur als Stahl während des Stromflusses. Aluminium kühlt auch schneller ab als Stahl, nachdem der Stromfluss geendet hat. Das Steuern des Wärmegleichgewichts zwischen den zwei Metallen, sodass ein Schweißschmelzbad in dem Aluminium-Werkstück schnell initiiert und zum Erstarren gebracht werden kann, kann daher eine Herausforderung darstellen. Es hat sich z. B. gezeigt, dass beim schnellen Abkühlen mithilfe von Standard-Industrieanwendungen Fehler in dem Aluminium-Schweißschmelzbad wie z. B. Schrumpfungsporen, Gasporosität, Oxidrückstandsbildung und Mikrorissbildung in Richtung der Stoß-Grenzfläche gezogen werden und sich dort ansammeln. Außerdem fördert ein anhaltendes Erwärmen während des Widerstandspunktschweißens - im Spezielleren eine erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück aufgrund seines relativ höheren Widerstandes - das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Schichten an der Stoß-Grenzfläche zwischen dem Aluminium-Schweißschmelzbad und dem Stahlwerkstück. Es hat sich gezeigt, dass diese beiden Bedingungen die Abschälfestigkeit der letztlich gebildeten Schweißverbindung herabsetzen und die Gesamtintegrität derselben schwächen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es ist ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs (in dieser Offenbarung der Kürze wegen wiederum kollektiv als „Aluminium“ bezeichnet)-Werkstück umfasst. Das Verfahren beinhaltet, dass eine Abdeckung zwischen dem Aluminium-Werkstück und der benachbarten Schweißelektrode eingesetzt wird, die dem Aluminium-Werkstück zugewandt ist. Dann wird die Abdeckung zwischen dem Aluminium-Werkstück und ihrer entsprechenden Schwei-ßelektrode angeordnet und stellt einen Kontakt mit beiden her. Die Abdeckung ist bevorzugt aus einem Metall hergestellt, das einen elektrischen Widerstand aufweist, der höher ist als jener der Schweißelektrode, die einen Kontakt mit dem Aluminium-Werkstück herstellt, und weist bevorzugt einen elektrischen Widerstand auf, der höher ist als jener des Aluminium-Werkstückes selbst. Beispiele von Metallmaterialien, die einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen als das Aluminium-Werkstück, umfassen einen Edelstahl, Molybdän oder eine Legierung auf Molybdän-Basis, Niob oder eine Legierung auf Niob-Basis, oder Wolfram oder eine Legierung auf Wolfram-Basis wie z. B. eine Wolfram-Kupfer-Legierung.
Wenn die Abdeckung eingesetzt und in Verwendung ist, unterstützt sie zumindest einen von zwei verschiedenen Effekten auf der Aluminiumseite des Werkstückstapels, die andernfalls nicht vorhanden wären, wenn die Schweißelektrode auf dieser Seite des Stapels einfach in direkten Kontakt mit dem Aluminium-Werkstück gebracht würde. Erstens, wenn die Abdeckung eine andere Geometrie aufweist als die Schweißfläche der benachbarten aluminiumseitigen Schweißelektrode - und insbesondere, wenn die Abdeckung einen Kontakt mit dem Aluminium-Werkstück über eine größere Oberfläche herstellt - wird die Abdeckung die Stromdichte in dem Aluminium-Werkstück verglichen mit dem Stahlwerkstück reduzieren, vorausgesetzt, sie verformt sich nicht unter Druck, um mit der Form der in Kontakt stehenden Elektrodenschweißfläche übereinzustimmen. In der Tat weist, wenn eine gerundete Schweißelektrode während eines elektrischen Stromflusses gegen eine Seite der Abdeckung gepresst wird - anstatt direkt gegen das Aluminium-Werkstück gepresst zu werden - der zwischen zwei gegenüberliegenden Schwei-ßelektroden geleitete elektrische Strom eine reduzierte Dichte innerhalb des Aluminium-Werkstückes infolge einer breiteren Grenzflächen-Kontaktfläche auf, die zwischen der Abdeckung und dem Aluminium-Werkstück hergestellt ist. Und eine Herabsetzung der Stromdichte in dem Aluminium-Werkstück bezüglich des Stahlwerkstückes hat den Effekt einer Veränderung der Temperaturgradienten, welche das in dem Aluminium-Werkstück erzeugte Schweißschmelzbad umgeben, was eine seitliche Wärmeausbreitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad in den Werkstückstapel hinein unterstützt.
Zweitens, wenn die Abdeckung aus einem Metall zusammengesetzt ist, das einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die benachbarte Schweißelektrode, wird die Abdeckung infolge des elektrischen Stromflusses durch die Abdeckung hindurch Wärme erzeugen und an das Aluminium-Werkstück bereitstellen, die andernfalls nicht vorhanden wäre. Und wenn sie aus einem Metall aufgebaut ist, das einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminium-Werkstück, wird sich die Abdeckung in einem relativ größeren Ausmaß erwärmen und so mehr Wärme an der Schweißstelle in das Aluminiumlegierungs-Werkstück einbringen. Die Fähigkeit der Abdeckung, dem Aluminium-Werkstück zusätzliche Wärme zusätzlich zu und von der entgegengesetzten Richtung der Wärme, die in dem Stahlwerkstück während des Stromflusses entwickelt wurde, zuzuführen, hat den Effekt, eine schnelle gerichtete Wärmeausbreitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad zu der aluminiumseitigen Schweißelektrode zu verhindern. Dies unterstützt wiederum, wie zuvor, eine seitliche Wärmeausbreitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad in den Werkstückstapel hinein durch Verändern der Temperaturgradienten, welche das in dem Aluminium-Werkstück erzeugte Schweißschmelzbad umgeben. In Fällen, in denen die Abdeckungsgeometrie durch die Konstruktion mit der Schweißflächengeometrie übereinstimmt oder die Abdeckung hinreichend flexibel ist, sodass sie sich unter Druck verformen wird, um mit der Geometrie der in Kontakt stehenden Elektrodenschweißfläche übereinzustimmen, besteht der primäre Effekt der Abdeckung darin, Wärme an das Aluminium-Werkstück ohne die Notwendigkeit bereitzustellen, die Stromdichte zu modifizieren.
Man nimmt an, dass die Verwendung der Abdeckung, um die Stromdichte in dem Aluminium-Werkstück zu ändern und/oder dem Aluminium-Werkstück zusätzliche Wärme zuzuführen und so eine seitliche Wärmeausbreitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad zu unterstützen, das Erstarrungsverhalten des in dem Aluminium-Werkstück erzeugten Aluminium-Schweißschmelzbades in einer Weise verändert, welche die unerwünschte Akkumulation von Fehlern an und entlang einer Stoß-Grenzfläche des Werkstückstapels ausschließt. Man nimmt insbesondere an, dass, anstatt dass sie in Richtung der Stoß-Grenzfläche getrieben oder mitgerissen werden, die Stromdichte und/oder die Erwärmungseffekte, welche der Abdeckung zuzuschreiben sind, die Schweißfehler in Richtung des Zentrums der letztlich gebildeten Schweißlinse zwingen, wo es weniger wahrscheinlich ist, dass sie die Festigkeit der Schweißverbindung beeinflussen. Wenn sie außerdem aus einem Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand hergestellt ist, kann die Abdeckung auch die Wärme reduzieren, die in dem Stahlwerkstück erzeugt wird, was in der Folge das Wachstum einer (von) spröden intermetallischen Fe-Al-Schicht(en) an der Stoß-Grenzfläche verhindert. Somit können durch Verwendung der offenbarten Abdeckung und des begleitenden Verfahrens die Gesamtfestigkeit und -integrität der zwischen den Werkstücken hergestellten Schweißverbindung verbessert werden.
Es sind verschiedene Arten des Einsetzens der Abdeckung zwischen dem Aluminium-Werkstück unter der Schweißelektrode und dem nachfolgenden Zurückziehen der Abdeckung davon offenbart. Eine Möglichkeit beinhaltet einen Arm, der zwischen einer eingesetzten Position und einer entfernten Position verschwenkt. Andere Möglichkeiten können Führungsschienen, Nuten, Führungsstangen, Spulen oder eine andere Kombinationen aus diesen Elementen wie auch andere Elemente beinhalten. Die Abdeckung selbst kann in verschiedenen Formen, unter anderen der Form einer Abdeckungsplatte oder eines Abdeckungsbandes vorgesehen sein. Jedes von der Abdeckungsplatte und dem Abdeckungsband kann gebaut sein, um einen einzigen Punktschweißvorgang oder viele Punktschweißvorgänge zu erleichtern. Die Abdeckungsplatte kann z. B. während eines einzigen Punktschweißvorganges verwendet und dann verworfen oder wiederaufbereitet werden können. Oder sie kann aufgrund der Dicke und der Haltbarkeit der Platte für Mehrfachanwendungen geeignet sein, in denen nacheinander viele Schweißverbindungen unter Verwendung derselben Abdeckungsplatte gebildet werden. In diesem Szenario könnte der betriebliche Gebrauch der Abdeckungsplatte sogar durch eine Zwischenreinigung einer aufgebauten Verunreinigung ausgedehnt werden. Gleichermaßen kann das Abdeckungsband für Einzelanwendungen geeignet sein, in denen eine einzige Schweißverbindung gebildet wird und der verwendete Abschnitt des Bandes verworfen wird, oder es kann mit Mehrfachanwendungen desselben Bandabschnitts im Sinn gebaut werden.
Die Fähigkeit der Abdeckung, je nach Bedarf eingesetzt und zurückgezogen zu werden, verleiht dem Punktschweißprozess und der zugehörigen Ausrüstung in einer Fertigungsumgebung Flexibilität. Da sie eingesetzt und zurückgezogen werden kann, stellt die Abdeckung z. B. die Fähigkeit zum Widerstandspunktschwei-ßen von Aluminium-an-Aluminium-Werkstückstapeln, Stahl-an-Stahl-Werkstückstapeln und Stahl-an-Aluminium-Werkstückstapeln bereit, ohne dass es notwendig ist, die Ausrüstung zu wechseln oder andere Modifikationen vorzunehmen, welche die Produktion verlangsamen würden. Die Abdeckung könnte beim Punktschwei-ßen von Aluminium an Stahl eingesetzt und dann auf der Basis von Fertigungsplänen beim Punktschweißen von Stahl an Stahl oder Aluminium an Aluminium nicht zurückgezogen und nicht verwendet werden, und so weiter. Diese Fähigkeit erweitert die Produktionsflexibilität und senkt Herstellungskosten.
Figurenliste

1 ist eine Seitenansicht einer Widerstandspunktschweißanordnung;
2 ist eine Mikrostruktur einer Schweißlinse, die über einen Widerstandspunktschweißprozess ohne Verwendung einer Abdeckung wie die in der nachstehenden Beschreibung im Detail dargelegten gebildet wurde;
3 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Abdeckung, die zwischen einem Aluminium-Werkstück und einer benachbarten Schweißelektrode eingesetzt werden soll, und einer Ausführungsform eines zugeordneten Schweißpistolenarmes;
4 ist eine Draufsicht der Abdeckung und des Schweißpistolenarmes von 3;
5 ist eine vergrößerte Ansicht der Abdeckung von 3 und eines Werkstückstapels und eines Paares von Schweißelektroden, die alle zusammengebracht wurden, um eine Widerstandspunktschweißung auszuführen;
6 ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Abdeckung, die zwischen einem Aluminium-Werkstück und einer benachbarten Schweißelektrode eingesetzt werden soll, und eines zugeordneten Schweißpistolenarmes;
7 ist eine Seitenansicht einer noch anderen Ausführungsform einer Abdeckung, die zwischen einem Aluminium-Werkstück und einer benachbarten Schweißelektrode eingesetzt werden soll, und eines zugeordneten Schweißpistolenarmes;
8 ist eine Seitenansicht einer noch anderen Ausführungsform einer Abdeckung, die zwischen einem Aluminium-Werkstück und einer benachbarten Schweißelektrode eingesetzt werden soll, und eines zugeordneten Schweißpistolenarmes;
9 ist eine Seitenansicht einer noch anderen Ausführungsform einer Abdeckung, die zwischen einem Aluminium-Werkstück und einer benachbarten Schweißelektrode eingesetzt werden soll, und eines zugeordneten Schweißpistolenarmes; und
10 ist eine Mikrostruktur einer Schweißlinse, die über einen Widerstandspunktschweißprozess unter Verwendung einer Abdeckung wie die in der nachstehenden Beschreibung im Detail dargelegten gebildet wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Verfahren und Anordnungen, die in dieser Beschreibung im Detail dargelegt sind, lösen verschiedene Herausforderungen, denen man beim Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Aluminium-Werkstück und ein Stahlwerkstück umfasst, begegnet. Wenngleich nachfolgend in näherem Detail beschrieben, können die beschriebenen Verfahren und Anordnungen allgemein das Erstarrungsverhalten einer erzeugten Aluminium-Schweißbadschmelze verändern und dadurch die Akkumulation von Fehlern an und entlang der Stoß-Grenzfläche des Aluminium- und des Stahlwerkstückes begrenzen oder insgesamt ausschließen. Die Verfahren und die Anordnungen können auch die Größe und die Dicke einer (von) intermetallischen Fe-Al-Schicht(en) minimeren, die an der Stoß-Grenzfläche gebildet wird/werden. Es sind selbstverständlich andere Verbesserungen möglich. Insgesamt oder für sich helfen diese Maßnahmen dabei, eine geeignete Abschälfestigkeit der zwischen dem Aluminium- und dem Stahlwerkstück gebildeten Schweißverbindung aufrechtzuerhalten, und sie helfen dabei, die Gesamtfestigkeit und -integrität der Fügestelle sicherzustellen. Und während die Verfahren und die Schweißelektroden nachfolgend in dem Kontext von Fahrzeugkarosserieteilen beschrieben sind, wird Fachleuten bekannt und verständlich sein, dass diese Verfahren und Schweißelektroden in einem anderen Kontext wie z. B. Luft- und Raumfahrts-, Schifffahrts- und industriellen Anlagen-Anwendungen verwendet werden können.
1 zeigt ein Beispiel einer Widerstandspunktschweißanordnung 10, die zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels 12 verwendet werden kann, der ein Stahlwerkstück 14 und ein Aluminium-Werkstück 16 umfasst, die übereinander gelegt sind. Wenngleich in 1 nicht gezeigt, könnte der Werkstückstapel 12 unter anderen Möglichkeiten zusätzliche Werkstücke wie z. B. ein einziges Aluminium-Werkstück und ein Paar Stahlwerkstücke umfassen, um einen Stapel zu bilden, der drei Werkstücke ergibt. Jedes der Stahl- und Aluminium-Werkstücke 14, 16 kann eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 6,0 mm, zwischen 0,5 mm und 4,0 mm und enger zwischen 0,6 mm und 2,5 mm liegt; es sind jedoch auch andere Dickenabmessungen möglich. Der Ausdruck „Werkstück“ und seine Stahl- und Aluminiumvarianten werden in der vorliegenden Beschreibung weitläufig verwendet, um sich auf eine Metallblechlage, ein Gussteil, einen Strangguss oder irgendein anderes Teil zu beziehen, das widerstandspunktschweißbar ist.
Das Stahlwerkstück 14 kann ein galvanisierter kohlenstoffarmer Stahl, ein galvanisierter, moderner, hochfester unlegierter Stahl (AHSS, vom engl. advanced high strength steel), ein aluminiumbeschichteter Stahl, ein kohlenstoffarmer Stahl, ein blanker Stahl oder eine andere Art von Stahl sein. Einige spezifische Arten von Stahl, die in dem Stahlwerkstück 14 verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, „Interstitial-free“ (IF)-Stahl, Dualphasen (DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity“ (TRIP)-Stahl und pressgehärteten Stahl (PHS vom engl. press-hardened steel). Andererseits kann das Aluminium-Werkstück 16 Aluminium, eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung oder eine andere Art von Aluminium sein. Einige weitere spezifische Arten von Aluminiumlegierungen, die in dem Aluminium-Werkstück 16 verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, die Aluminium-Magnesium-Legierung 5754, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung 6022, die Aluminium-Zink-Legierung 7003 und die Aluminium-Druckgusslegierung Al-10Si-Mg. Überdies können diese und andere geeignete/n Aluminiumlegierungen (wie auch Aluminium) mit Zink- oder Konversionsbeschichtungen beschichtet sein, die in der Regel verwendet werden, um das Klebevermögen zu verbessern Optional können Durchschweißkleber oder -Dichtmittel vorhanden sein, wie sie normalerweise bei Widerstandspunktschweißabläufen verwendet werden.
Weiterhin Bezug nehmend auf 1 ist die Widerstandspunktschweißanordnung 10 in der Regel ein Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes, der einen ersten Schweißpistolenarm 18 und einen zweiten Schweißpistolenarm 20 umfasst, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Widerstandspunktschweißnähte zu bilden. Der erste Schweißpistolenarm 18 kann eine erste Elektrodenhalterung 22 aufweisen, welche eine erste Schweißelektrode 24 fixiert, und gleichermaßen kann der zweite Schweißpistolenarm 20 eine zweite Elektrodenhalterung 26 aufweisen, welche eine zweite Schweißelektrode 28 fixiert. Die Schweißelektroden 24, 28 können aus einer geeigneten Kupferlegierung wie z. B. der Kupfer-Zirkonium-Legierung zusammengesetzt sein, die allgemein unter der Bezeichnung C15000 bekannt ist. Wenn sie beim Widerstandspunktschweißen eingesetzt werden, pressen die Schweißpistolenarme 18, 20 ihre jeweiligen Schweißelektroden 24, 28 gegen entgegengesetzte Seiten und Außenflächen der übereinandergelegten Werkstücke 14, 16 an einer Schweißstelle 30, wobei begleitende Schweißflächen der Elektroden über- und miteinander ausgerichtet sind. Eine Stoß-Grenzfläche 32 befindet sich zwischen den Stahl- und Aluminium-Werkstücken 14, 16 an gegenüberstehenden und anliegenden Innenflächen der Werkstücke 14, 16.
2 illustriert eine Mikrostruktur einer Aluminium-Schweißlinse 34, die durch einen Widerstandspunktschweißprozess ohne die Verwendung einer Abdeckung wie die nachfolgend im Detail dargelegten gebildet wurde. Während eine geeignete Schweißlinse in einigen Fällen ohne Verwendung einer Abdeckung gebildet werden kann, wurden in diesem Beispiel Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 entdeckt. Unter anderen Möglichkeiten können die Fehler D Schrumpfungsporen, Gasporosität, Oxidrückstandsbildung und Mikrorissbildung umfassen. Es wurde festgestellt, dass die Fehler D, wenn sie vorhanden und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 verteilt sind, die Abschälfestigkeit der zwischen den Stahl- und Aluminium-Werkstücken 14, 16 hergestellten Schweißverbindung herabsetzen können und die Gesamtintegrität der Verbindung negativ beeinflussen und schwächen können. Überdies kann/können zusätzlich zu den Fehlern D eine oder mehrere intermetallische Fe-Al-Schichten (nicht gezeigt), die auch als Teil der Schweißverbindung betrachtet werden, zwischen den Stahl- und Aluminium-Werkstücken 14, 16 an der Stoß-Grenzfläche 32 wachsen. Die intermetallische/n Fe-Al-Schicht/en können aus FeAl₃ und Fe₂Al₅ wie auch aus anderen Verbindungen bestehen und sind, wenn sie vorhanden sind, oft hart und spröde. Wiederum können die intermetallische/n Fe-AI-Schicht/en hier die Gesamtintegrität der Verbindung negativ beeinflussen, wenn zugelassen wird, dass sie übermäßig wachsen.
Wenngleich nicht die Absicht einer Einschränkung auf bestimmte Kausalitätstheorien besteht, wird derzeit angenommen, dass die Akkumulation der Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 auf das Erstarrungsverhalten der Aluminium-Schweißbadschmelze zurückzuführen ist, wenn sie in die Aluminium-Schweißlinse 34 übergeht. Das heißt, dass sich aufgrund der ungleichen physikalischen Eigenschaften der zwei Metalle - und zwar der viel höheren thermischen und elektrischen Widerstände des Stahls - ein Wärme-Ungleichgewicht zwischen dem viel heißeren Stahlwerkstück 14 und dem Aluminium-Werkstück 16 entwickeln kann. Somit wirkt der Stahl als eine Wärmequelle, während das Aluminium als ein Wärmeleiter wirkt, was bedeutet, dass das innerhalb des Aluminium-Werkstückes 16 erzeugte Aluminium-Schweißschmelzbad abkühlt und von seinem Außenumfang in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 erstarrt, da Wärme aus dem Schmelzbad gerichtet durch die wassergekühlte Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminium-Werkstück entzogen wird. Der/die Erstarrungsfrontweg und -richtung sind in 2 allgemein durch unterbrochene Pfeile P dargestellt, und eine Begrenzung der Aluminium-Schweißlinse 34 ist allgemein durch Strichlinien B dargestellt. Der Weg P zeigt zu der Stoß-Grenzfläche 32 und die schrägere Begrenzung B (verglichen mit der in 10 gezeigten) ist das Ergebnis des Erstarrens des Aluminium-Schweißschmelzbades in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32. Auf diese Weise gelenkt werden Schweißbadfehler D in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 gezogen oder mitgerissen werden, wenn die Erstarrungsfront entlang des Weges P fortschreitet, und können entlang der Stoß-Grenzfläche 32 verteilt enden. Des Weiteren geht man derzeit davon aus, dass das Wachstum der intermetallischen Fe-AI-Schicht/en zumindest teilweise in der erhöhten Temperatur begründet ist, welche das Stahlwerkstück 14 während des Widerstandspunktschweißprozesses erfährt.
Nunmehr Bezug nehmend auf die 3-9 wird, um die Akkumulation und Verteilung der Fehler D entlang der Stoß-Grenzfläche 32 zu begrenzen und in einigen Fällen insgesamt auszuschließen, eine Abdeckung 36 zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der benachbarten Schweißelektrode eingesetzt, die dem Aluminium-Werkstück 16 zugewandt ist (in diesem Beispiel der zweiten Schwei-ßelektrode 28). Im Allgemeinen kann die Abdeckung 36, wie nachstehend in näherem Detail beschrieben, eines oder beides von einer Reduktion der Stromdichte durch das Aluminium-Werkstück 16 hindurch und der Erzeugung von Wärme auf der Seite des Aluminium-Werkstückes 16 dem Stahlwerkstück 14 entgegengesetzt bewirken, die normalerweise aufgrund der Tatsache, dass die zweite Schwei-ßelektrode 86 oft aggressiv mit Wasser gekühlt wird, nicht produziert würde. In einigen Fällen kann die Abdeckung 36 aus einem Metall gebildet sein, das einen elektrischen Widerstand aufweist, der höher als jener der zweiten Schweißelektrode 28 und bevorzugt höher als jener des Aluminium-Werkstückes 16 ist, was bewirkt, dass die Abdeckung 36 selbst auch Wärme erzeugt. Die Änderung der Stromdichte und/oder der zusätzliche Wärmeeintrag, welcher der Abdeckung 36 zugeschrieben wird - der an der Scheißstelle 30 zusätzlich zu und von der entgegengesetzten Richtung der in dem Stahlwerkstück 14 entwickelten Wärme in das Aluminium-Werkstück 16 eingeführt wird - beeinflusst das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades, wenn es abkühlt und zu der Aluminium-Schweißlinse 34 erstarrt, von der man annimmt, dass sie die Abschälfestigkeit der zwischen den Werkstücken 14, 16 hergestellten Schweißverbindung verbessert. Eine Abdeckung 36, die Wärme erzeugt, kann auch die Größe und die Dicke der intermetallischen Fe-AI-Schicht/en minimieren, welche sich an der Stoß-Grenzfläche 32 bilden kann/können.
Wie erwähnt, kann die Abdeckung 36 aus einem Metall gebildet sein, das einen elektrischen Widerstand aufweist, der höher als jener der zweiten Schweißelektrode 28 und bevorzugt höher als jener des Aluminium-Werkstückes 16 ist, sodass der Hauptteil der Abdeckung 36 selbst Wärme zusätzlich zu der erzeugen kann, die in dem Stahlwerkstück 14 erzeugt wird. Wenn die zweite Schweißelektrode 28 aus einer Kupferlegierung zusammengesetzt ist, wie z. B. nachfolgend mit den verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, kann die Abdeckung 36 aus einem Stahlmaterial wie z. B. einem Edelstahl oder einem blanken kohlenstoffarmen Stahl hergestellt sein, oder sie kann aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, das eine begrenzte Reaktion mit Aluminium zeigt, wie z. B., unter anderen Möglichkeiten, Molybdän oder einer Legierung auf Molybdän-Basis, Wolfram oder einer Legierung auf Wolfram-Basis wie z. B. einer Wolfram-Kupfer-Legierung, oder Niob oder einer Legierung auf Niob-Basis hergestellt sein.
Wie immer ihre Zusammensetzung beschaffen ist, kann die Abdeckung 36 zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der zweiten Schweißelektrode 28 eingesetzt werden und kann auch mithilfe mehrerer verschiedener Mechanismen entfernt und zurückgeholt werden. In einigen Fällen kann der genaue Einsetz- und Entfernungsmechanismus von der Konstruktion und der Bauform des Schweißpistolenarmes oder von der größeren Widerstandspunktschweißanordnung 10 abhängig sein. In der Ausführungsform der 3-5 wird die Einsetz- und Entfernungsfunktionalität z. B. von einem Arm 38 durchgeführt, der mit dem zweiten Schweißpistolenarm 20 verbunden und mechanisch gekoppelt ist. Hier ist der Arm 38 an einer Stelle verschwenkbar mit dem zweiten Schweißpistolenarm 20 verbunden, die von der zweiten Elektrodenhalterung 26 und von der zweiten Schwei-ßelektrode 28 beabstandet ist. Der Arm 38 dreht sich um eine Schwenkachse und Achse 40 entlang eines Schwenkpfades S zwischen seiner/m eingesetzten Position und Zustand (in Volllinien in 3 gezeigt), in welcher/m die Abdeckung 36 zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der zweiten Schweißelektrode 28 angeordnet sein kann, und seiner/m entfernten Position und Zustand (in Strichlinien in 3 gezeigt), in welcher/m die Abdeckung von zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der zweiten Schweißelektrode 28 zurückgezogen ist.
Die Schwenkachse 40 kann direkt an dem zweiten Schweißpistolenarm 20 befestigt und angelenkt sein, wie gezeigt, oder sie kann an einem Paar von Bügeln befestigt und angelenkt sein, die selbst an dem zweiten Schweißpistolenarm angebracht sind. Es sind selbstverständlich andere Befestigungen möglich, welche eine Drehung und ein Schwenken um die Schwenkachse vorsehen, wenngleich sie an dieser Stelle nicht ausdrücklich gezeigt und beschrieben sind. Des Weiteren kann die Bewegung zwischen den eingesetzten und den entfernten Positionen mithilfe eines Motors wie z. B. eines rotatorischen Servoaktuators oder eines pneumatisch betriebenen Aktuators automatisiert sein, oder die Bewegung kann händisch geregelt sein. Im Fall einer Automatisierung kann die Bewegung durch einen Controller geregelt sein, der elektrisch mit dem Motor gekoppelt und programmiert ist, um die Abdeckung 36 an der Schweißstelle 30 zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der benachbarten zweiten Schweißelektrode 28 einzusetzen, wenn die Aluminium- und Stahlwerkstücke 14, 16 widerstandspunktgeschweißt werden, und um die Abdeckung 36 zu entfernen, sobald der Stromfluss zwischen den Schweißelektroden 24, 28 aufgehört hat und die zweite Schwei-ßelektrode 28 von der Abdeckung 36 weg zurückgezogen worden ist.
In der Ausführungsform der 3-5 ist die Abdeckung 36 in der Form einer Abdeckungsplatte 42 vorgesehen. Die Abdeckungsplatte 42 kann mittels verschiedener Befestigungstechniken lösbar an dem Arm 38 angebracht sein. Allerdings ist die Befestigung idealerweise robust genug, um den automatisierten Schweißbetrieb zu überstehen, der in Automobilanwendungen typisch ist. Hier weist die Abdeckungsplatte 42 eine allgemein rechteckige Form auf, weist ein erstes Ende 44 auf, das lösbar an dem Arm 38 befestigt ist, und weist ein zweites freies Ende 46 auf, das von der Befestigung abgehängt ist, und weist eine erste äußere Fläche 48 auf, die dem Aluminium-Werkstück 16 gegenübersteht, und weist eine zweite äußere Fläche 50 auf, die einer Schweißfläche 52 der zweiten Schweißelektrode 28 gegenübersteht (5). Zwischen ihren Enden 44, 46 weist die Abdeckungsplatte 42 eine längs gerichtete Länge auf, die hinreichend ist, um die volle Ausdehnung der Schweißfläche 52 zu überspannen, sodass die Schweißfläche 52 an der Abdeckungsplatte 42 und nicht an dem Aluminium-Werkstück 16 anliegt, wenn sie eingesetzt und im Gebrauch ist. Gleichermaßen weist die Abdeckungsplatte 42 eine seitliche Breite quer zu ihrer längs gerichteten Länge auf, die hinreichend ist, um die volle Ausdehnung der Schweißfläche 52 zu überspannen, wenn die Abdeckungsplatte 42 an der Schweißstelle 30 zwischen der zweiten Schweißelektrode 28 und dem Aluminium-Werkstück 16 eingesetzt ist. Hier stellt die zweite äußere Fläche 50 der Abdeckungsplatte 42, wie gezeigt ist, einen Kontakt mit einer größeren Oberfläche des Aluminium-Werkstückes 16 her, als es die zweite Schwei-ßelektrode 28 bei Nichtvorhandensein der Abdeckungsplatte 42 andernfalls tun würde.
Die Abdeckungsplatte 42 kann eine Vielfalt von Bauformen aufweisen, welche sie elektrisch widerstandsfähiger machen als das Aluminium-Werkstück 16. In einem spezifischen Beispiel ist die Abdeckungsplatte 42 aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt und weist eine Dicke 420 (5) auf, die in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,4 mm liegt. Dieses Beispiel der Abdeckungsplatte 42 könnte für eine relativ begrenzte Anzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißnähten, z. B. bis zu zehn, verwendet werden, und könnte dann durch eine noch zu verwendende Abdeckungsplatte 42 ersetzt werden. In einem anderen spezifischen Beispiel kann die Abdeckungsplatte 42 aus Molybdän oder einer Legierung auf Molybdän-Basis, Niob oder einer Legierung auf Niob-Basis oder einer Wolfram-Kupfer-Legierung hergestellt sein und eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 10,0 mm liegt. Dieses Beispiel der Abdeckungsplatte 42 ist beständiger als das vorhergehende Beispiel - basierend auf der Dicke und der Materialwahl - und könnte daher für eine relativ höhere Anzahl von einzelnen Widerstandspunktschweißnähten, z. B. eintausend oder mehr, verwendet werden. In diesem Beispiel kann eine periodische Reinigungstätigkeit wünschenswert sein, um eine Verunreinigung von der Abdeckungsplatte 42 nach einer festgelegten Anzahl von ausgeführten Schweißnähten - z. B. zehn bis einhundert Schweißnähten - zu entfernen, um die Nutzungsdauer der Abdeckungsplatte 42 auszudehnen. Die Verunreinigung könnte aus der Akkumulation von geschmolzenem Aluminium an der äußeren Fläche des Aluminium-Werkstückes 16 resultieren, an welcher die Abdeckungsplatte 42 anliegt. Die Reinigungstätigkeit könnte mit rotierenden Drahträdern, -bürsten oder anderen abrasiven Medien durchgeführt werden.
Die Abdeckung 42 kann auch aus einer Kupferlegierung zusammengesetzt sein, bevorzugt einer, die elektrisch widerstandsfähiger ist als die Kupferlegierungen, die in verwendet wird, um die zweite Schweißelektrode 28 herzustellen, wie z. B. eine Cu-Ni-Cr-Si-Legierung, die in der Regel mit C18000 bezeichnet wird und eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 45 % IACS aufweist (die dem IACS zugeordnete elektrische Leitfähigkeit (gelegentlich als 100 % IACS bezeichnet) ist die elektrische Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, geglühtem Kupfer bei 20 °C, die als 5,80×10⁷ Siemens/Meter (S/m) definiert ist). Und während Kupferlegierungen in der Regel elektrisch weniger widerstandsfähig sind als das Aluminium-Werkstück 16, kann eine aus solchen Legierungen gebildete Abdeckungsplatte 42 gleichwohl wirksam beim Herabsetzen der Stromdichte des elektrischen Stromes innerhalb des Aluminium-Werkstückes 16 sein wie auch etwas Wärme erzeugen und in dasselbe einbringen. Wenn die Abdeckungsplatte 42 aus einer Kupferlegierung hergestellt ist, kann sie eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 10,0 mm liegt, was sie haltbar macht und dazu in die Lage versetzt, an vielen Widerstandspunktschweißvorgängen teilzuhaben, insbesondere wenn sie einer periodischen Reinigung unterzogen wird, um Verunreinigungen zu entfernen.
6 zeigt eine Ausführungsform, die jener der 3-5 ähnlich ist. Allerdings ist in dieser Ausführungsform ein Gestänge 54 zwischen dem Arm 38 und dem zweiten Schweißpistolenarm 20 eingerichtet. Das Gestänge 54 kann eine zurückhaltendere Bewegung zwischen den eingesetzten und entfernten Positionen bereitstellen und kann ein oder mehrere verschwenkend gekoppelte Gestänge 56 umfassen. Diese Arten von Gestängen wie auch andere sind Fachleuten gut bekannt und können Federkomponenten, Dämpferkomponenten und/oder andere Komponenten umfassen, welche eine Bewegung erleichtern.
7 zeigt eine andere Ausführungsform, die jener der 3-5 ähnlich ist. In dieser Ausführungsform ist der Arm 38 bezüglich seiner Ausdehnung in den vorhergehenden Fig. verkürzt, und die Abdeckungsplatte 42 weist eine in ihrem Körper gebildete Biegung 58 auf. Die Biegung 58 hebt die Abdeckungsplatte 42 von einem oberen Ende des Armes 38 weg, wie in 7 gezeigt. Diese Maßnahmen erleichtern das Unterbringen eines Werkstückstapels 12 mit einer oder mehreren Biegungen oder anderen Ausgestaltungen in seinen Werkstücken 14, 16 und schließen eine gegenseitige physikalische Beeinflussung und Behinderung zwischen dem Arm 38, der Abdeckungsplatte 42 und dem Werkstückstapel 12 aus. Außerdem könnte diese Ausführungsform wie auch die anderen vorgestellten einen Mechanismus zum Zuführen von Ersatz-Abdeckungsplatten 42' wie z. B. ein Magazin 60 umfassen, das an oder nahe bei dem zweiten Schweißpistolenarm 20 eingerichtet ist. Das Magazin 60 erleichtert den Austausch von und die Beladung mit Abdeckplatten.
8 zeigt eine noch andere Ausführungsform, die der Ausführungsform der 3-5 in bestimmter Weise ähnlich ist. Allerdings ist in dieser Ausführungsform die Abdeckung 36 in der Form eines Abdeckungsbandes 62 vorgesehen. Das Abdeckungsband 62 kann für eine Einzelanwendung bevorzugt sein, in der ein einziger Punktschweißvorgang [engl. even] ausgeführt wird, um eine einzige Schweißverbindung zu bilden, ein Abschnitt des Abdeckungsbandes 62, der dem Punktschweißvorgang unterworfen wird, abgetrennt und verworfen wird und dann ein unbenutzter Abschnitt des Abdeckungsbandes 62 anstelle des abgetrennten Abschnittes ausgezogen wird, um einen anderen Punktschweißvorgang durchzuführen. Das Abdeckungsband 62 kann auch in Mehrfachanwendungen verwendet werden, bevor es abgetrennt und verworfen wird. Das Abdeckungsband 62 kann aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt sein und kann eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,4 mm liegt. Der Arm 38 kann die gleiche Einsetz- und Entfernungsfunktionalität aufweisen, wie zuvor für die Ausführungsform der 3 und 4 beschrieben, oder könnte eine andere Einsetz- und Entfernungsfunktionalität aufweisen. Um die Abtrenn- und Ausziehfunktionen zu erleichtern, kann ein Schneidmechanismus in oder benachbart zu dem Arm 38 eingerichtet sein, und der Arm 38 könnte Führungsschienen oder -nuten 64 zum Zuführen des Abdeckungsbandes 62 aufweisen. Und wenngleich es mit scharfen Ecken schematisch gezeigt ist, könnte das Abdeckungsband 62 infolge der Abmessungen (z. B. der Dünnheit) des Bandes ein stärker abgerundetes physikalisches Profil aufweisen.
9 zeigt eine noch andere Ausführungsform, die der Ausführungsform von 8 in bestimmter Weise ähnlich ist. Hier ist die Abdeckung 36 ebenfalls in der Form des Abdeckungsbandes 62 vorgesehen und kann für Einzel- und Mehrfachanwendungen verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist der Arm 38 in der Form einer bogenförmigen Führungsstange 66 vorgesehen, welche einen ausgehöhlten Durchgang zum Ausziehen des Abdeckungsbandes 62 aufweist. Die Krümmung der Führungsstange 66 kann mit dem ausgezogenen Profil des Abdeckungsbandes 62 grob übereinstimmen. Die Führungsstange 66 kann an dem zweiten Schweißpistolenarm 20 eingerichtet sein oder benachbart dazu eingerichtet sein und weist einen offenen Eingang 68 zum Aufnehmen des Abdeckungsbandes 62 und einen offenen Ausgang 70 zum Führen des Abdeckungsbandes 62 zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der zweiten Schweißelektrode 28 auf. Das Abdeckungsband 62 wird der Führungsstange 66 über eine Spule 72 zugeführt, von wo ein Vorrat des Abdeckungsbandes 62 abgewickelt wird. Die Spule 72 kann austauschbar sein, wenn der Vorrat an Abdeckungsband 62 erschöpft ist. In dieser Ausführungsform kann die Einsetz- und Entfernungsfunktionalität nur durch die Abwicklungskraft, die von der Spule 72 ausgeübt wird, und das resultierende Ausziehen des Abdeckungsbandes 62 und nicht unbedingt durch eine absichtliche und aktive Bewegung des Armes 38 wie bei den an anderer Stelle in dieser Beschreibung im Detail dargelegten Ausführungsformen durchgeführt werden, wenngleich dies eine Möglichkeit ist. Tatsächlich kann die Führungsstange 66 eine feststehende Struktur sein.
In all den bisher im Detail dargelegten Ausführungsformen kann die Abdeckung 36 (Platte, Band oder eine andere Form) beim Widerstandspunktschweißen der Aluminium- und Stahlwerkstücke 14, 16 zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der zweiten Schweißelektrode 28 eingesetzt werden, kann beim Punktschweißen von Stahl-an-Stahl-Werkstücken oder Aluminium-an-Aluminium-Werkstücken entfernt werden, und kann für zusätzliche Aluminium- und Stahlwerkstücke wieder eingesetzt werden. Dies stellt die Flexibilität bereit, die zum Widerstandspunktschweißen von Fahrzeugkarosserieteilen in einer Fertigungsumgebung wünschenswert und oftmals notwendig ist. In Fällen, in denen die Schweißelektroden 24, 28 auch verwendet werden, um Aluminium-an-Aluminium-Werkstücke und/oder Stahl-an-Stahl-Werkstücke zu schweißen, kann die Schweißelektrodenkonstruktion ohne die Abdeckung 36 für diese Prozesse offen sein. Für Stahl-an-Stahl-Werkstücke können die Schweißelektroden z. B. einen Schweißflächendurchmesser von 5 mm bis 10 mm mit Krümmungsradien zwischen 40 mm und flach aufweisen. Für Aluminium-an-Aluminium-Werkstücke können die Schwei-ßelektroden z. B. einen Schweißflächendurchmesser von 6 mm bis 20 mm und stärker bevorzugt 8 mm bis 12 mm mit Krümmungsradien von 12 mm bis 150 mm und stärker bevorzugt 20 mm bis 50 mm aufweisen.
Außerdem kann die Schweißfläche zum Aluminium-an-Aluminium-Werkstück-Widerstandspunktschweißen Oberflächenmerkmale aufweisen, um auf der Aluminium-Oberfläche gebildete Oxidschichten zu durchdringen. Beispielsweise könnte/n die Schweißfläche/n, falls erwünscht, strukturiert oder aufgeraut sein oder einen Satz von vorstehenden Ringen aufweisen. Beispiele hierfür sind in den Druckschriften US 6 861 609 B2 ; US 8 222 560 B2 ; US 8 274 010 B2 ; US 8 436 269 B2 und US 8 525 066 B2 und US 2009 / 0 255 908 A1 beschrieben. Im Falle einiger dieser Oberflächenmerkmale wie z. B. von vorstehenden Ringen kann es notwendig sein, dass die Abdeckung 36 dicker ist als oben beschrieben, um eine übermäßige Verformung beim Hinunterspannen der Schweißelektroden 24, 28 auszuschließen. Zum Punktschweißen sowohl von Aluminium-an-Aluminium-Werkstücken als auch Stahl-an-Stahl-Werkstücken 14, 16 zusätzlich zu den oben erörterten Aluminium-an-Stahl-Werkstücken wurde festgestellt, dass Schwei-ßelektroden mit Krümmungsradien von 20 mm bis 50 mm für alle drei Arten von Werkstücken gut funktionieren, wenn die Abdeckung 36 entsprechend verwendet wird.
Man nimmt an, dass die Abdeckung 36, wenn sie mit der Widerstandspunktschweißanordnung 10 verwendet wird, die Temperaturgradienten, welche das Aluminium-Schweißschmelzbad umgeben, und wiederum das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades verändert und dadurch die Akkumulation und Verteilung von Fehlern D an und entlang der gesamten Stoß-Grenzfläche 32 innerhalb der Aluminium-Schweißlinse 34 begrenzt oder insgesamt ausschließt. Da sich die Abdeckung 36 benachbart zu dem Aluminium-Werkstück 16 befindet und elektrischer Strom durch sie hindurch geleitet wird, wird/werden sich in der Regel einer oder beide der folgenden Effekte manifestieren: (1) eine Reduktion der Stromdichte des elektrischen Stromes innerhalb des Aluminium-Werkstückes 16, und (2) die Erzeugung und den Eintrag von zusätzlicher Wärme in das Aluminium-Werkstück 16 an der äußeren Fläche des Aluminium-Werkstückes 16, als es der Fall wäre, wenn die Abdeckung 36 nicht zwischen dem Aluminium-Werkstück 16 und der zweiten Schweißelektrode 28 angeordnet wäre. Man nimmt an, dass jeder dieser Effekte die Kühlwirkung des Aluminium-Schweißschmelzbades ändert, wenn es erstarrt, um zu der Aluminium-Schweißlinse 34 innerhalb des Aluminium-Werkstückes 16 zu werden.
Nunmehr Bezug nehmend auf die Mikrostruktur von 10 bewirkt die Abdeckung 36, dass das Aluminium-Schweißschmelzbad von seinem äußeren Umfang nach innen kühlt und erstarrt, anstatt dass die Erstarrungsfront in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 fortschreitet, wie in 2 demonstriert und oben beschrieben ist. Der Weg und die Richtung der Erstarrungsfront sind allgemein in 10 durch gestrichelte Pfeile P dargestellt, und eine Begrenzung der Aluminium-Schweißlinse 34 ist durch die Strichlinien B dargestellt. Der Weg P zeigt in Richtung eines zentralen Gebietes der Schweißlinse 34, und die Begrenzung B ist infolge des veränderten Erstarrungsweges orthogonaler (verglichen mit der in 2 gezeigten) bezüglich der Stoß-Grenzfläche 32. Jegliche Fehler D, die in dem Aluminium-Schweißschmelzbad vorhanden sind, werden somit in Richtung des zentralen Gebietes des Schweißbades und letztlich der Schweißlinse 34 mitgerissen oder gezogen und befinden sich weit weg von der Stoß-Grenzfläche 32, wie gezeigt, oder hauptsächlich bei einer zentralen Stelle der Stoß-Grenzfläche 32.
Die Abdeckung 36 ermöglicht ein wünschenswerteres Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades, indem sie die Temperaturgradienten, welche das Schweißbad umgeben, durch eine Herabsetzung der Stromdichte innerhalb des Aluminium-Werkstückes und/oder den Eintrag von Wärme in das Aluminium-Werkstück von der Abdeckung 36 verändert. Indem die Abdeckung 36 während des Erstarrens des Aluminium-Schweißschmelzbades, falls erwünscht, einschließlich für eine Zeit, nachdem der Durchgang von elektrischem Strom zwischen den Schweißelektroden 24, 28 aufgehört hat, anliegend mit dem Aluminium-Werkstück 16 gehalten wird, wird die schnelle, gerichtete Ausbreitung von Wärme von dem Aluminium-Schweißschmelzbad durch das Aluminium-Werkstück 16 hindurch und in die zweite Schweißelektrode 28 hinein verlangsamt. Da die Abdeckung 36 dem Wärmefluss eine Barriere setzt, lässt sie tatsächlich nicht zu, dass die zweite Schweißelektrode 28 so viel Wärme von dem Aluminium-Werkstück 16 entzieht, als sie es normalerweise tun würde, wenn die Abdeckung 36 nicht vorhanden wäre und die Elektrode 28 direkt gegen die Oberfläche des Aluminium-Werkstückes 16 gepresst würde. Stattdessen wird Wärme von der Schweißstelle 30 weg seitlich nach außen zu den kühleren Abschnitten des Aluminium-Werkstückes 16 verteilt. Als Folge all dessen wird eine geeignete Abschälfestigkeit aufrechterhalten, und die Gesamtfestigkeit und -integrität der zwischen den Werkstücken 14, 16 hergestellten Schweißverbindung ist sichergestellt.
Überdies bedeutet das verbesserte Wärmegleichgewicht auch, dass die Wärme auf der Stahlseite des Werkstückstapels 12 reduziert werden kann, falls erwünscht, indem der während einer Widerstandspunktschweißung zwischen den Schweißelektroden 24, 28 und durch den Werkstückstapel 12 hindurch fließende elektrische Strompegel reduziert wird. Diese Reduktion des Stromflusses kann ein Erwärmen in dem Stahlwerkstück 14 reduzieren, Reaktionen zwischen Fe und Al minimieren und dadurch die einhergehende Größe und Dicke jeglicher intermetallischer Fe-AI-Schicht/en, die sich an der Stoß-Grenzfläche 32 bilden kann/können, minimieren. Es wurde festgestellt, dass je größer die Größe und die Dicke der intermetallischen Fe-Al-Schichten sind, desto spröder die Schichten sind und desto wahrscheinlicher sie unter Belastung brechen. Das Minimieren der Schichten hilft dabei, eine geeignete Abschälfestigkeit aufrechtzuerhalten, und hilft dabei, die Gesamtfestigkeit und -integrität der Schweißverbindung sicherzustellen.

Claims

Verfahren zum Widerstandspunktverschweißen eines Stahlwerkstückes (14) und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes (16), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel (12) vorgesehen wird, der ein Stahlwerkstück (14) und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) umfasst, sowie eine erste Schweißelektrode (24), die dem Stahlwerkstück (14) gegenübersteht, und eine zweite Schweißelektrode (28), die dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) gegenübersteht, vorgesehen werden; eine Abdeckung (36) zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schweißelektrode (28) eingesetzt wird, wobei die Abdeckung (36) aus einem Metall hergestellt ist; an einer Schweißstelle die erste Schweißelektrode (24) gegen das Stahlwerkstück (14) und die zweite Schweißelektrode (28) gegen die Abdeckung (36) gepresst wird; und ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schwei-ßelektrode (24, 28), durch den Werkstückstapel (12) und durch die Abdeckung (36) hindurch geleitet wird, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes (16) zu initiieren und zum Wachsen zu bringen; dadurch gekennzeichnet , dass (i) die Abdeckung (36) eine Abdeckungsplatte (42) ist, die austauschbar durch einen Arm (38) getragen ist, der verschwenkbar mit einem Schweißpistolenarm (20) der zweiten Schweißelektrode (28) verbunden ist, und wobei das Einsetzen der Abdeckungsplatte (42) zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schwei-ßelektrode (28) umfasst, dass der Arm (38) um seine Schwenkverbindung zu dem Schweißpistolenarm (20) zwischen einer ersten Position, in der die Abdeckungsplatte (42) eingesetzt ist, und einer zweiten Position, in der die Abdeckungsplatte (42) nicht zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schweißelektrode (28) eingesetzt ist, gedreht wird; und/oder dass (ii) die Abdeckung (36) ein Abschnitt eines abtrennbaren Abdeckungsbandes (62) ist, das eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,4 mm aufweist, und wobei das Abdeckungsband (62) durch einen Arm (38) geführt ist, der mit einem Schweißpistolenarm (20) der zweiten Schweißelektrode (28) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Schweißelektrode (28) aus einem Material zusammengesetzt ist, welches einen elektrischen Widerstand aufweist, und wobei die Abdeckung (36) einen elektrischen Widerstand aufweist, der höher ist als der elektrische Widerstand der zweiten Schweißelektrode (28).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abdeckung (36) aus einem Edelstahl, Molybdän oder einer Legierung auf Molybdän-Basis, Niob oder einer Legierung auf Niob-Basis oder Wolfram oder einer Legierung auf Wolfram-Basis hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (36) eine Abdeckungsplatte (42) ist, die einen Kontakt mit einer größeren Oberfläche des Aluminium-Werkstückes herstellt als die zweite Schweißelektrode (28) andernfalls beim Nichtvorhandensein der Abdeckungsplatte (42).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abdeckungsplatte (42) aus Edelstahl, Molybdän oder einer Legierung auf Molybdän-Basis, Niob oder einer Legierung auf Niob-Basis, Wolfram oder einer Legierung auf Wolfram-Basis oder einer Kupferlegierung hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: die Abdeckung (36) zwischen dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und der zweiten Schweißelektrode (28) entfernt wird; ein zweiter Werkstückstapel (12) vorgesehen wird, der ein zweites Stahlwerkstück (14) und ein drittes Stahlwerkstück (14) umfasst oder der ein zweites Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) und ein drittes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück (16) umfasst; die erste und die zweite Schweißelektrode (24, 28) gegen entgegengesetzte Seiten des zweiten Werkstückstapels (12) gepresst werden; und ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode (24, 28) und durch den zweiten Werkstückstapel (12) hindurch geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein dritter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein viertes Stahlwerkstück (14) und ein viertes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine zweite, andere Abdeckung (36) zwischen dem vierten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück und der zweiten Schweißelektrode (28) eingesetzt wird, wobei die zweite Abdeckung (36) aus einem Metall hergestellt ist; an einer Schweißstelle die erste Schweißelektrode (24) gegen das vierte Stahlwerkstück (14) und die zweite Schweißelektrode (28) gegen die zweite Abdeckung (36) gepresst wird; und ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schwei-ßelektrode (24, 28), durch den dritten Werkstückstapel und durch die zweite Abdeckung (36) hindurch geleitet wird, um ein Schweißbad innerhalb des vierten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein dritter Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein viertes Stahlwerkstück (14) und ein viertes Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; die Abdeckung (36) zwischen dem vierten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück und der zweiten Schweißelektrode (28) eingesetzt wird; an einer Schweißstelle die erste Schweißelektrode (24) gegen das vierte Stahlwerkstück (14) und die zweite Schweißelektrode (28) gegen die Abdeckung gepresst wird; und ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schwei-ßelektrode (24, 28), durch den dritten Werkstückstapel und durch die Abdeckung hindurch geleitet wird, um ein Schweißbad innerhalb des vierten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu initiieren und zum Wachsen zu bringen.