DE102015106141B4

DE102015106141B4 - Widerstandspunktschweissverfahren

Info

Publication number: DE102015106141B4
Application number: DE102015106141.4A
Authority: DE
Inventors: Guoxian Xiao; Pei-Chung Wang; Jorge F. Arinez; Joseph Clifford Simmer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: DE102015106141A1

Abstract

Widerstandspunktschweißverfahren, umfassend, dass:eine elektrisch leitfähige Beschichtung (30) zwischen einem polymeren Werkstück (10) und einem metallischen Werkstück (20) angeordnet wird,wobei das metallische Werkstück (20) eine strukturierte Oberfläche (22) aufweist, die dem polymeren Werkstück (10) zugewandt ist;das polymere Werkstück (10) mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitfähigen Stift (124, 126) einer Schweißelektrodenanordnung (102) durchstochen wird;elektrische Energie auf den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift (124, 126) angewendet wird, sodass ein elektrischer Strom durch den ersten elektrisch leitfähigen Stift (124), die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift (126) hindurch fließt,um das polymere Werkstück (10) und die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) zumindest teilweise zum Schmelzen zu bringen und dadurch ein Schweißbad (W) zu bilden; unddas Schweißbad (W) abgekühlt wird, um so eine feste Schweißlinse (N) zu bilden, um eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen der festen Schweißlinse (N) und der strukturierten Oberfläche (22) herzustellen,wobei die mechanische Grenzflächenverriegelung das polymere Werkstück (10) und das metallische Werkstück (20) miteinander verbindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Widerstandspunktschweißverfahren.
Beispielsweise beschreibt die US 2007 / 0 272 660 A1 ein Verfahren zum elektrischen Buckelwiderstandsschweißen einer Komponente an ein laminiertes Metallelement. Das laminierte Metallelement besteht aus einem oberen und einem unteren Metallblech, die durch eine Polymerschicht, die zwischen dem oberen und dem unteren Metallblech vorgesehen ist, zusammengeklebt sind. An der Komponente ist eine Vielzahl von Vorsprüngen vorgesehen und die Vorsprünge erstrecken sich in Richtung des oberen Metallblechs des laminierten Metalls. Das Bauteil wird mit Kraft beaufschlagt und die Vorsprünge haben eine spitze Form, so dass die Vorsprünge das obere Blech durchstoßen und das untere Blech berühren. Dann wird ein Schweißstrom angelegt, um durch die Vorsprünge zu fließen, so dass die Vorsprünge sowohl an das obere als auch das untere Metallblech elektrisch widerstandsgeschweißt werden.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die US 3 993 529 A verwiesen.
HINTERGRUND
Schweißen ist ein Verfahren zum Fügen von zwei oder mehreren Werkstücken wie z. B. Metallsubstraten. Im Allgemeinen kann Schweißen das Anwenden von Wärme und Druck auf zumindest zwei Werkstücke, um die Werkstücke zu verbinden, umfassen. Über die Jahre wurden viele Schweißverfahren entwickelt.
ZUSAMMENFASSUNG
Widerstandspunktschweißen ist eine Art von Schweißverfahren, bei der elektrischer Strom durch zwei Elektroden und die Werkstücke hindurch geleitet wird, um eine örtlich begrenzte Erwärmung in den Werkstücken zu erzeugen. Das Material, das die Werkstücke bildet, schmilzt und fließt an der Grenzfläche zwischen den zwei Werkstücken ineinander, um dadurch ein Schweißbad zu bilden. Das Schweißbad kühlt anschließend ab, um eine Schweißlinse zu bilden. Um den Durchsatz zu verbessern, ist es zweckmäßig, die Zeit zu minimieren, die notwendig ist, um einen Widerstandspunktschweißprozess zu beenden. Um die strukturellen Gewichte zu erleichtern, ist es auch zweckmäßig, mittels Widerstandspunktschweißen Werkstücke zu fügen, die aus ungleichen Materialien hergestellt sind. Zu diesem Zweck wurde das vorliegend offenbarte Widerstandspunktschweißverfahren entwickelt.
Das vorliegend offenbarte Widerstandspunktschweißverfahren kann verwendet werden, um ein polymeres Werkstück und ein metallisches Werkstück aneinander zu fügen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Widerstandspunktschweißverfahren die folgenden Schritte: (a) Anordnen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zwischen einem polymeren Werkstück und einem metallischen Werkstück, wobei das metallische Werkstück eine strukturierte Oberfläche aufweist, die dem polymeren Werkstück zugewandt ist; (b) Durchstechen des polymeren Werkstückes mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitfähigen Stift einer Schweißelektrodenanordnung; (c) Anwenden elektrischer Energie auf den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift, sodass ein elektrischer Strom durch den ersten elektrisch leitfähigen Stift, die elektrisch leitfähige Beschichtung und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift hindurch fließt, um das polymere Werkstück und die elektrisch leitfähige Beschichtung zumindest teilweise zum Schmelzen zu bringen und dadurch ein Schweißbad zu bilden (eine gewisse Erwärmung resultiert aus der ohmschen Erwärmung des metallischen Werkstückes); und (d) Abkühlen des Schweißbades, um so eine feste Schweißlinse zu bilden, um eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen der festen Schweißlinse und der strukturierten Oberfläche herzustellen, wobei die mechanische Grenzflächenverriegelung das polymere Werkstück und das metallische Werkstück miteinander verbindet. Das Verfahren umfasst außerdem, dass eine Klemmkraft auf das polymere Werkstück und das metallische Werkstück angewendet wird, um das polymere Werkstück gegen das metallische Werkstück zu pressen, nachdem die elektrisch leitfähige Beschichtung zwischen dem polymeren Werkstück und dem metallischen Werkstück angeordnet wurde.
Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische vordere Schnittansicht eines Schweißsystems;
2 ist eine schematische vordere Schnittansicht eines polymeren Werkstückes, eines metallischen Werkstückes und einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zwischen dem polymeren und dem metallischen Werkstück;
3 ist eine schematische vordere Schnittansicht des polymeren Werkstückes, des metallischen Werkstückes, der in 2 gezeigten elektrisch leitfähigen Beschichtung und einer Schweißelektrodenanordnung, die eine Klemmkraft auf das polymere und das metallische Werkstück anwendet;
4 ist eine schematische vordere Schnittansicht des polymeren Werkstückes, des metallischen Werkstückes, der elektrisch leitfähigen Beschichtung und der Schweißelektrodenanordnung, die in 3 gezeigt sind, wobei die Schweißelektrodenanordnung elektrische Energie auf die elektrisch leitfähige Beschichtung anwendet;
5 ist eine schematische vordere Schnittansicht des polymeren Werkstückes, des metallischen Werkstückes, der elektrisch leitfähigen Beschichtung und der Schweißelektrodenanordnung, die in 4 gezeigt sind, wobei die Schweißelektrodenanordnung von dem polymeren Werkstück zurückgezogen ist, und eine feste Schweißlinse das metallische und das polymere Werkstück fügt; und
6 ist eine schematische vordere Schnittansicht einer Schweißverbindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Komponenten beziehen, illustriert 1 schematisch ein Widerstandspunktschweißsystem 100 zum Fügen von zwei oder mehreren Werkstücken, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind. In der abgebildeten Ausführungsform kann das Schweißsystem 100 verwendet werden, um ein polymeres Werkstück 10 und ein metallisches Werkstück 20 zu fügen (3). Das polymere Werkstück 10 (3) ist insgesamt oder teilweise aus einem geeigneten polymeren Verbundstoff wie z. B. einem faserverstärkten Polymer hergestellt. Als nicht einschränkende Beispiele umfassen geeignete polymere Verbundstoffe thermoplastische Verbundstoffe mit einer Matrix, die u. a. aus Polymethyl-Methacrylat, Polybenzimidazol, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen hergestellt ist. Das polymere Werkstück 10 (3) kann insgesamt oder teilweise auch aus kohlefaserverstärkten Nylonverbindungen hergestellt sein. Der polymere Verbundstoff, der das polymere Werkstück 10 bildet, weist einen Schmelzpunkt in einem Bereich von 120 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius auf. Der polymere Verbundstoff, der die polymeren Werkstücke 10 bildet, kann z. B. einen Schmelzpunkt von etwa 270 Grad Celsius aufweisen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist das metallische Werkstück 20 insgesamt oder teilweise aus einem Eisenmetall wie z. B. Stahl und Edelstahl oder einem Nichteisenmetall wie z. B. Aluminium, Titan und Magnesium hergestellt.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 umfasst das Schweißsystem 100 eine Widerstandspunktschweißelektrodenanordnung 102, die elektrisch mit einer Leistungsversorgung 104 wie z. B. einer Gleichstrom (DC)-Leistungsversorgung verbunden ist. Die Schweißelektrodenanordnung 102 und die Leistungsversorgung 104 sind Teil eines elektrischen Stromkreises 106. Die Leistungsversorgung 104 umfasst einen Pluspol 108 und einen Minuspol 110 und ist ausgestaltet, um elektrische Energie an die Schweißelektrodenanordnung 102 zu liefern. Anders ausgedrückt kann die Leistungsversorgung 104 elektrischen Strom an die Schweißelektrodenanordnung 102 liefern.
Außer der Leistungsversorgung 104 umfasst der elektrische Stromkreis 106 einen elektrischen Schalter 112, der mit der Leistungsversorgung 104 elektrisch in Reihe geschaltet ist. Der elektrische Schalter 112 kann zwischen einem/r EIN-Zustand (oder -Position) und einem/r AUS- Zustand (oder -Position) schalten. In dem EIN-Zustand lässt der elektrische Schalter 112 zu, dass elektrischer Strom durch den elektrischen Stromkreis 106 fließt. Der elektrische Strom kann als solcher von der Leistungsversorgung 104 zu der Schweißelektrodenanordnung 102 fließen, wenn sich der elektrische Schalter 112 im EIN-Zustand befindet. Hingegen unterbricht der elektrische Schalter 112 den Fluss von elektrischem Strom von der Leistungsversorgung 104, wenn er sich in dem AUS-Zustand befindet. Somit unterbricht der elektrische Schalter 112 im AUS-Zustand den elektrischen Stromkreis 106 und infolgedessen kann kein elektrischer Strom von der Leistungsversorgung 104 zu der Schweißelektrodenanordnung 102 fließen.
Das Schweißsystem 100 umfasst außerdem ein Amperemeter 114, das mit der Leistungsversorgung 104 elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das Amperemeter 114 kann den elektrischen Strom in dem elektrischen Stromkreis 106 messen. Es wird in Erwägung gezogen, dass das Amperemeter 114 ein Drehspulen-Amperemeter, ein elektrodynamisches Amperemeter, ein Weicheisen-Amperemeter, ein Heißdraht-Amperemeter, ein digitales Amperemeter, ein integrierendes Amperemeter oder eine beliebige andere Art von Amperemeter sein kann, das geeignet ist, um den elektrischen Strom in dem elektrischen Stromkreis 106 zu messen.
Das Schweißsystem 100 umfasst ferner einen Zeitmesser 116 zum Messen von Zeitintervallen. In der abgebildeten Ausführungsform ist der Zeitmesser 116 mit der Leistungsversorgung 104 elektrisch parallel geschaltet. Der Zeitmesser 116 kann verwendet werden, um die Zeit zu messen und zu überwachen, in der die Leistungsversorgung 104 elektrischen Strom an die Schweißelektrodenanordnung 102 liefert.
Bezug nehmend auf die 1 und 3 ist die Schweißelektrodenanordnung 102 elektrisch mit der Leistungsversorgung 104 verbunden und umfasst ein Gehäuse 118. Das Gehäuse 118 definiert eine erste und eine zweite Öffnung 120, 122 (1), die voneinander beabstandet sind. Als nicht einschränkende Beispiele können die erste und die zweite Öffnung 120, 122 Löcher oder Bohrungen sein und stehen im Wesentlichen parallel zueinander. Das Gehäuse 118 kann einen Gehäusehohlraum 119 definieren (1).
Die Schweißelektrodenanordnung 102 umfasst ferner einen ersten und einen zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126, die von dem Gehäuse 118 vorstehen. Der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 können als erste bzw. zweite Elektrode bezeichnet werden, und jede ist zumindest teilweise im Inneren des Gehäuses 118 angeordnet. In der abgebildeten Ausführungsform ist der erste elektrisch leitfähige Stift 124 teilweise in der ersten Öffnung 120 angeordnet, und der zweite elektrisch leitfähige Stift 126 ist teilweise in der zweiten Öffnung 122 angeordnet. Anders ausgedrückt nimmt die erste Öffnung 120 teilweise den ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 auf, und die zweite Öffnung 122 nimmt teilweise den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126 auf. Die erste und die zweite Öffnung 120, 122 stehen in Verbindung mit dem Gehäusehohlraum 119, und der Gehäusehohlraum nimmt den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 teilweise auf. Die erste und die zweite Öffnung 120, 122 sind nebeneinander und parallel zueinander angeordnet. Demzufolge sind der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 auch nebeneinander und parallel zueinander angeordnet.
Der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 sind insgesamt oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z. B. einem Metall hergestellt, das eine Härte in einem Bereich zwischen 50 HRC und 70 HRC auf der Rockwell C-Skala aufweist. Als ein nicht einschränkendes Beispiel beträgt die Härte des Materials, das den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 bildet, etwa 165 HRC auf der Rockwell C-Skala. Es ist zweckdienlich, dass der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 zumindest teilweise aus einem Material mit der Härte und dem Härtebereich, die oben beschrieben sind, hergestellt sind, sodass der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 das polymere Werkstück 10 durchstechen können (3). Das polymere Werkstück 10 weist eine Härte in einem Bereich zwischen 10 HRC und 50 HRC auf der Rockwell C-Skala auf, um zuzulassen, dass der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 (mit der oben beschriebenen Härte) das polymere Werkstück 10 durchstechen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 insgesamt oder teilweise aus Stahl hergestellt sein. Jeder von dem ersten und dem zweitem elektrisch leitfähigem Stift 124, 126 kann z. B. insgesamt oder teilweise aus einem Hochgeschwindigkeitsstahl T1, einem Hochgeschwindigkeitsstahl M2 oder einem H-13 Werkzeugstahl hergestellt sein. Ferner können der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 insgesamt oder teilweise aus Wolframcarbid, einer Kupferlegierung, einem Kobaltlegierungsstahl, Wolfram oder einer Legierung auf Molybdänbasis hergestellt sein.
Um das Durchstechen des polymeren Werkstückes 10 zu erleichtern, umfasst jeder von dem ersten und dem zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 eine verjüngte oder zugespitzte Spitze 125 bzw. 127. Die verjüngten Spitzen 125, 127 können auch eine Nut definieren, um das Durchstechen des polymeren Werkstückes 10 zu erleichtern.
Der zweite elektrisch leitfähige Stift 126 ist von dem ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 elektrisch isoliert. Elektrischer Strom kann als solcher nicht direkt von dem ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 zu dem zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126 fließen. Um den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 elektrisch voneinander zu isolieren, umfasst die Schweißelektrodenanordnung 102 eine erste elektrisch isolierende Abdeckung 128 und eine zweite elektrisch isolierende Abdeckung 130. Die erste und die zweite elektrisch isolierende Abdeckung 128, 130 sind insgesamt oder teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. einem Polymer hergestellt. Die erste elektrisch isolierende Abdeckung 128 ist teilweise in der ersten Öffnung 120 angeordnet und umgibt zumindest teilweise den ersten elektrisch leitfähigen Stift 124. Demzufolge nimmt die erste Öffnung 120 teilweise die erste elektrisch isolierende Abdeckung 128 und den ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 auf. Die zweite elektrisch isolierende Abdeckung 130 ist teilweise in der zweiten Öffnung 122 angeordnet und umgibt zumindest teilweise den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126. Somit nimmt die zweite Öffnung 122 teilweise die zweite elektrisch isolierende Abdeckung 130 und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126 auf. Alternativ oder zusätzlich zu der ersten und der zweiten elektrisch isolierenden Abdeckung 128, 130 kann die Schweißelektrodenanordnung 102 einen elektrischen Isolator 129 (3) umfassen, um den ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 von dem zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126 elektrisch zu trennen.
Die Schweißelektrodenanordnung 102 umfasst einen ersten elektrisch leitfähigen Verbinder 132, der den ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 elektrisch mit dem Pluspol 108 der Leistungsversorgung 104 verbindet. Der elektrische Schalter 112 ist elektrisch in Reihe zwischen den Pluspol 108 der Leistungsversorgung 104 und den ersten elektrisch leitfähigen Stift 124 geschaltet. Ferner umfasst die Schweißelektrodenanordnung 102 einen zweiten elektrisch leitfähigen Verbinder 134, der den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126 elektrisch mit dem Minuspol 110 der Leistungsversorgung 104 verbindet. Das Amperemeter 114 ist elektrisch in Reihe zwischen den Minuspol 110 der Leistungsversorgung 104 und den zweiten elektrisch leitfähigen Verbinder 134 geschaltet.
Die 2-5 illustrieren schematisch ein Widerstandspunktschweißverfahren mithilfe des oben beschriebenen Schweißsystems 100. Zuerst, in 2, beginnt das Verfahren, indem eine elektrisch leitfähige Beschichtung 30 zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 angeordnet wird. Anders ausgedrückt wird die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 an der Grenzfläche zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 (d. h. der Schweißgrenzfläche) angeordnet. Es ist nicht notwendig, ein anderes Heizelement an der Schweißgrenzfläche anzuordnen. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 ist insgesamt oder teilweise aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material hergestellt. Als nicht einschränkende Beispiele kann die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 ein Ruß oder ein thermoplastisches Material sein. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 kann z. B. eine Graphite Conductive Coating, eine Total Ground Carbon Conductive Coating oder eine Silver Coated Copper Conductive Coating sein. Das metallische Werkstück 20 kann einen Werkstückhohlraum 24 umfassen, der ausgestaltet, geformt und dimensioniert ist, um die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 zumindest teilweise aufzunehmen. Außerdem definiert das polymere Werkstück 10 eine polymere Stoßfläche 12, und das zweite Werkstück 20 definiert eine strukturierte Oberfläche 22.
Mit Bezugnahme auf 6 weist die strukturierte Oberfläche 22 einen arithmetischen Mittenrauigkeitswert R_a in einem Bereich zwischen 0,001 Mikrometern und 2000 Mikrometern auf. Die strukturierte Oberfläche 22 kann z. B. einen arithmetischen Mittenrauigkeitswert von etwa 2 Mikrometer aufweisen. Der/die oben beschriebene arithmetische Mittenrauigkeitswert R_a und Bereich helfen dabei, eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 herzustellen. Um die strukturierte Oberfläche 22 zu strukturieren, kann das metallische Werkstück 20 einer beliebigen geeigneten Oberflächenaufrauungsbehandlung unterzogen werden. Die Oberflächenaufrauungsbehandlung kann ein chemisches Verfahren wie z. B. Lithographie oder ein mechanisches Verfahren wie z. B. Fräsen, Polieren, Strahlen, eine Laserbehandlung oder 3-D-Druck sein. Ein Abschnitt 22A der strukturierten Oberfläche 22 definiert den Werkstückhohlraum 24. Daher weist der Abschnitt 22A der strukturierten Oberfläche 22, der den Werkstückhohlraum 24 definiert, auch einen arithmetischen Mittenrauigkeitswert R_a auf, der in einem Bereich zwischen 0,001 Mikrometern und 2000 Mikrometern liegt, um dabei zu helfen, eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 herzustellen. Die Struktur der strukturierten Oberfläche 22 kann ein vorbestimmtes Muster aufweisen, um die mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 zu verbessern.
Mit erneuter Bezugnahme auf die 2-5 wird in dem in 2 illustrierten Schritt die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 zuerst auf der strukturierten Oberfläche 22 angeordnet. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 kann z. B. insgesamt oder teilweise auf dem Abschnitt 22A der strukturierten Oberfläche 22 angeordnet werden, der den Werkstückhohlraum 24 definiert, sodass die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 zumindest teilweise in dem Werkstückhohlraum 24 aufgenommen ist. Dann wird das polymere Werkstück 10 oben auf der elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 und dem metallischen Werkstück 20 angeordnet, sodass die erste Stoßfläche 12 der strukturierten Oberfläche 22 zugewandt ist. Somit ist die strukturierte Oberfläche 22 dem polymeren Werkstück 10 zugewandt. Ein Schichtporenfüller oder Kleber wird zwischen dem metallischen Werkstück 20 und dem polymeren Werkstück 10 aufgebracht, um die Versiegelung zu verbessern und Korrosion zu verhindern. Danach schreitet das Verfahren zu dem in 3 illustrierten Schritt weiter.
3 illustriert einen Schritt, bei dem die Schweißelektrodenanordnung 102 in Richtung des polymeren Werkstückes 10 vorgerückt wird, sodass der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 das polymere Werkstück 10 durchstechen. Anders ausgedrückt bringt der in 3 illustrierte Schritt das Durchstechen des polymeren Werkstückes 10 mit dem ersten und dem zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 mit sich. Sobald der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 das polymere Werkstück 10 durchstechen, wird die Schweißelektrodenanordnung 102 in die durch den Pfeil F1 angezeigte Richtung (d. h. in Richtung des metallischen Werkstückes 20) vorgerückt, um den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 durch das polymere Werkstück 10 hindurch vorzurücken. Der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 werden gleichzeitig durch das polymere Werkstück 10 hindurch in der durch den Pfeil F1 angezeigten Richtung vorgerückt, bis der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 mit der zwischen dem polymeren und dem metallischen Werkstück 10, 20 angeordneten elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 in Kontakt gelangen. Die Schweißelektrodenanordnung 102 kann ein Stützelement 121 (d. h. ein nicht leitfähiges Element) umfassen, das in der Lage ist, das polymere Werkstück 10, die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 und das metallische Werkstück 20 zu stützen, während der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 gleichzeitig durch das polymere Werkstück 10 hindurch vorgerückt werden. Somit bringt der in 3 illustrierte Schritt das Vorrücken des ersten und des zweiten elektrisch leitfähigen Stifts 124, 126 durch das polymere Werkstück 10 hindurch mit sich, bis der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 mit der zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 angeordneten elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 in Kontakt gelangen.
Der in 3 gezeigte Schritt bringt auch mit sich, dass Druck (durch Anwenden einer Klemmkraft in den durch die Pfeile F1 und F2 angezeigten Richtungen) auf das polymere Werkstück 10 angewendet wird, um das polymere Werkstück 10 gegen die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 und das metallische Werkstück 20 zu pressen. Anders ausgedrückt wird eine Klemmkraft auf das Polymerwerkstück 10 und das metallische Werkstück 20 angewendet, um das polymere Werkstück 10 gegen das metallische Werkstück 20 zu pressen. Um dies zu bewerkstelligen, wird das Schweißelektrodensystem 102 in Richtung des polymeren Werkstückes 10 und der elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 in der durch den Pfeil F1 angezeigten Richtung vorgerückt, bis das Gehäuse 118 mit dem polymeren Werkstück 10 in Kontakt gelangt. Sobald das Gehäuse 118 mit dem polymeren Werkstück 10 in Kontakt steht, wird die Schweißelektrodenanordnung 102 kontinuierlich in der durch den Pfeil F1 angezeigten Richtung vorgerückt, um das polymere Werkstück 10 gegen die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 und das metallische Werkstück 20 zu pressen. Während sich das Gehäuse 118 in der durch den Pfeil F1 angezeigten Richtung bewegt, kann sich das Stützelement 121 in der durch den Pfeil F2 angezeigten Richtung bewegen, um eine Klemmkraft auf das polymere Werkstück 10 und das metallische Werkstück 20 anzuwenden. Somit übt das Gehäuse 118 Druck gegen das polymere Werkstück 10 aus, um das polymere Werkstück 10 gegen das metallische Werkstück 20 zu klemmen. Die Schweißelektrodenanordnung 102 kann Druck auf dem polymeren Werkstück 10 ausüben, während sie gleichzeitig den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 durch das polymere Werkstück 10 hindurch vorrückt. Da die Schweißelektrodenanordnung 102 dazu dient, Druck auf dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 auszuüben und um elektrischen Strom an der Grenzfläche zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 zu leiten, kann die Schweißelektrodenanordnung 102 als eine Hybrid-Schweißelektrodenanordnung bezeichnet werden.
Wenngleich der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 durch das polymere Werkstück 10 hindurch vorrücken, wenn Druck [engl. pressured] auf das polymere Werkstück 10 angewendet wird, durchstechen der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 das metallische Werkstück 20 nicht. Der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 werden nur durch das polymere Werkstück 10 hindurch in der durch den Pfeil F1 angezeigten Richtung vorgerückt, bis der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 in Kontakt gelangen, aber bevor sie mit dem metallischen Werkstück 20 in Kontakt gelangen.
Wie in 4 gezeigt, wird, sobald der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 in Kontakt stehen, elektrische Energie auf den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126 angewendet, sodass elektrischer Strom (von der Leistungsversorgung 104) zuerst zu dem ersten elektrisch leitfähigen Stift 124, dann durch die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 hindurch und als Nächstes durch den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 126 hindurch fließt. Die Leistungsversorgung 104 liefert an die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 elektrische Energie (über den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift 124, 126) mit einem hinreichenden elektrischen Strom und über eine ausreichende Zeitspanne, um die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 und zumindest einen Teil des polymeren Werkstückes 10 zum Schmelzen zu bringen und dadurch ein Schweißbad W zu bilden. Das Schweißbad W umfasst geschmolzenes Polymer (von dem polymeren Werkstück 10) und geschmolzene Beschichtung 30. Die in der Beschichtung 30 verwendeten Füllstoffe (um den entsprechenden Widerstand zu erhalten) können die Schweißnaht verstärken). Da das Werkstück 20 einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das polymere Werkstück 10, schmilzt das metallische Werkstück 20 aufgrund der erzeugten Hitze nicht, während der elektrische Strom durch die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 und das metallische Werkstück 20 fließt. Wie oben erörtert, ist das polymere Werkstück 10 aus einem polymeren Verbundstoff mit einem Schmelzpunkt von etwa 270 Grad Celsius hergestellt. Somit wird ein hinreichend hoher elektrischer Strom über eine hinreichende Zeitspanne durch die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 hindurch geleitet, um das polymere Werkstück 10 und die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 auf eine Temperatur zu erhitzen, die über 270 Grad Celsius liegt. Der Strom und die Zeit, die erforderlich sind, sind von dem gewählten Widerstand abhängig. Während dieses Aufheizvorganges schmilzt die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 vollständig, und es schmelzen nur Abschnitte des polymeren Werkstückes 10, welche die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 umgeben, um das Schweißbad W zu bilden. Da der Schmelzpunkt des metallischen Materials, welches das metallische Werkstück 20 bildet, über 270 Grad Celsius liegt, schmilzt das metallische Werkstück 20 nicht, wenn der elektrische Strom durch die elektrisch leitfähige Beschichtung 30 fließt. Die geschmolzenen Abschnitte der elektrisch leitfähigen Beschichtung 30 und des polymeren Werkstückes 10 breiten sich entlang der strukturierten Oberfläche 22 des metallischen Werkstückes 20 aus (siehe 6).
Wie in 5 gezeigt, werden nach dem Bilden des Schweißbades W der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift 124, 126 von dem polymeren Werkstück 10 zurückgezogen. Um dies zu bewerkstelligen, wird die Schweißelektrodenanordnung 102 von dem polymeren Werkstück 10 in der durch den Pfeil R (4) angezeigten Richtung weg bewegt. Das Schweißbad W liegt anfänglich in einem flüssigen Zustand vor und wird dann abgekühlt, um eine feste Schweißlinse N zu bilden, welche das polymere Werkstück 10 und das metallische Werkstück 20 fügt. Anders ausgedrückt bringt der in 5 gezeigte Schritt mit sich, dass das Schweißbad W abgekühlt wird, bis das Schweißbad W erstarrt und die feste Schweißlinse N bildet. Das Abkühlen kann über natürliche Konduktion erfolgen. Das heißt, es kann zugelassen werden, dass das Schweißbad W abkühlt. Unabhängig von dem Kühlverfahren bildet das Schweißbad W, nachdem es abgekühlt ist, eine feste Schweißlinse N, welche das polymere und das metallische Werkstück 10, 20 fügt.
Mit Bezugnahme auf 6 fügt die Schweißverbindung J das metallische Werkstück 20 und das polymere Werkstück 10, und ihre Festigkeit ist durch die mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen der feste Schweißlinse N und der strukturierten Oberfläche 22 des metallischen Werkstückes 20 erhöht. Da das Schweißbad W entlang der strukturierten Oberfläche 22 abkühlt, wird die feste Schweißlinse N demzufolge entlang der Spitzen P und Mulden V der strukturierten Oberfläche 22 verteilt. Das Anordnen der festen Schweißlinse N entlang der Spitzen P und Mulden V der strukturierten Oberfläche 22 stellt eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen dem polymeren Werkstück 10 und dem metallischen Werkstück 20 her, und diese mechanische Grenzflächenverriegelung schließt eine Bewegung des metallischen Werkstückes 20 bezüglich des polymeren Werkstückes 10 in mehreren Richtungen aus oder behindert diese zumindest. Anders ausgedrückt umfasst das Schweißverfahren, dass das Schweißbad W (über natürliche Konvektion) abgekühlt wird, um so eine feste Schweißlinse N zu bilden, um eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen der festen Schweißlinse N und der strukturierten Oberfläche 22 herzustellen, und die mechanische Grenzflächenverriegelung verbindet das polymere Werkstück 10 mit dem metallischen Werkstück 20. Das Schweißverfahren umfasst somit, dass das Schweißbad W abgekühlt wird, um so eine feste Schweißlinse N zu bilden, um eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen der festen Schweißlinse N und der strukturierten Oberfläche 22 herzustellen, und die mechanische Grenzflächenverriegelung verbindet das polymere Werkstück 10 mit dem metallischen Werkstück 20.

Claims

Widerstandspunktschweißverfahren, umfassend, dass: eine elektrisch leitfähige Beschichtung (30) zwischen einem polymeren Werkstück (10) und einem metallischen Werkstück (20) angeordnet wird, wobei das metallische Werkstück (20) eine strukturierte Oberfläche (22) aufweist, die dem polymeren Werkstück (10) zugewandt ist; das polymere Werkstück (10) mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitfähigen Stift (124, 126) einer Schweißelektrodenanordnung (102) durchstochen wird; elektrische Energie auf den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift (124, 126) angewendet wird, sodass ein elektrischer Strom durch den ersten elektrisch leitfähigen Stift (124), die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift (126) hindurch fließt, um das polymere Werkstück (10) und die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) zumindest teilweise zum Schmelzen zu bringen und dadurch ein Schweißbad (W) zu bilden; und das Schweißbad (W) abgekühlt wird, um so eine feste Schweißlinse (N) zu bilden, um eine mechanische Grenzflächenverriegelung zwischen der festen Schweißlinse (N) und der strukturierten Oberfläche (22) herzustellen, wobei die mechanische Grenzflächenverriegelung das polymere Werkstück (10) und das metallische Werkstück (20) miteinander verbindet.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei die strukturierte Oberfläche einen arithmetischen Mittenrauigkeitswert in einem Bereich zwischen 0,001 und 2000 Mikrometern aufweist.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine Klemmkraft auf das polymere und das metallische Werkstück (20) (10) angewendet wird, um das polymere Werkstück (10) gegen die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) und das metallische Werkstück (20) zu pressen.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, dass der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift (124, 126) durch das polymere Werkstück (10) hindurch vorgerückt werden, bis der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift (124, 126) mit der zwischen dem polymeren und dem metallischen Werkstück (10, 20) angeordneten elektrisch leitfähigen Beschichtung (30) in Kontakt gelangen.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der erste und der zweite elektrisch leitfähige Stift (124, 126) nach Bilden des Schweißbades (W) von dem polymeren Werkstück (10) zurückgezogen werden.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei das Abkühlen durch natürliche Konvektion durchgeführt wird.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei das Anordnen der elektrisch leitfähigen Beschichtung (30) zwischen dem polymeren und dem metallischen Werkstück (10, 20) umfasst, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) auf der strukturierten Oberfläche (22) angeordnet wird.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 7, wobei das Anordnen der elektrisch leitfähigen Beschichtung (30) umfasst, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) auf einem Abschnitt der strukturierten Oberfläche (22) angeordnet wird, der einen Werkstückhohlraum (24) definiert, sodass die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) zumindest teilweise in dem Werkstückhohlraum (24) angeordnet ist.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 8, wobei das polymere Werkstück (10) einen Schmelzpunkt von etwa 270 Grad Celsius aufweist, das metallische Werkstück (20) einen Schmelzpunkt aufweist, der über 270 Grad Celsius liegt, und das Anwenden elektrischer Energie auf dem erstem und dem zweiten elektrisch leitfähigen Stift (124, 126) umfasst, dass an die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) ein hinreichender elektrischer Strom über eine hinreichende Zeitspanne geliefert wird, um das polymere Werkstück (10) und die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) auf eine Temperatur zu erhitzen, die über 270 Grad Celsius liegt, um das Schweißbad (W) zu bilden.
Widerstandspunktschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei das Anwenden elektrischer Energie auf den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Stift (124, 126) umfasst, dass an die elektrisch leitfähige Beschichtung (30) ein hinreichender elektrischer Strom über eine hinreichende Zeitspanne geliefert wird, um das die leitfähige Beschichtung (30) vollständig zum Schmelzen zu bringen.