DE102015108796B4

DE102015108796B4 - Verfahren zum Punktschweissen eines Werkstückstapels unter Verwendung einer Abdeckplatte

Info

Publication number: DE102015108796B4
Application number: DE102015108796.0A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; Blair E. Carlson; David Yang; Hui-Ping Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: DE102015108796A1; US20150352659A1; CN105312754A; CN105312754B

Abstract

Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels (14), der ein Stahlwerkstück (20) und ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Werkstückstapel (14) vorgesehen wird, welcher ein Stahlwerkstück (20) und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) umfasst, welches das Stahlwerkstück (20) überlappt und zu diesem benachbart liegt, um eine Stoßgrenzfläche (32) an einer Schweißstelle (16) herzustellen, wobei der Werkstückstapel (14) eine erste Seite (34) und eine zweite Seite (36) aufweist,wobei die erste Seite (34) des Werkstückstapel (14) nahe dem Stahlwerkstück (20) liegt und die zweite Seite (36) des Werkstückstapels (14) nahe dem Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) liegt;eine Abdeckplatte (10) benachbart zu der zweiten Seite (36) des Werkstückstapels (14) angeordnet wird, wobei die Abdeckplatte (10) eine innere Oberfläche (38), die der zweiten Seite (36) des Werkstückstapels (14) gegenübersteht, und eine äußere Oberfläche (40) aufweist, die in die entgegengesetzte Richtung von der inneren Oberfläche (38) weist, wobei die Abdeckplatte (10) ferner ein Eindringmerkmal (12) umfasst, das mit der Schweißstelle (16) ausgerichtet ist, wobei das Eindringmerkmal (12) entweder eine Durchgangsbohrung (62), welche sich vollständig durch die Abdeckplatte (10) von der inneren Oberfläche (38) der Abdeckplatte (10) zu der äußeren Oberfläche (40) der Abdeckplatte (10) hindurch erstreckt, odereine Vertiefung (64, 66) ist, welche die Dicke der Abdeckplatte (10) teilweise durchquert;eine erste Schweißfläche (54) einer ersten Schweißelektrode (48) gegen die erste Seite (34) des Werkstückstapels (14) gepresst wird und eine zweite Schweißfläche (56) einer zweiten Schweißelektrode (52) gegen die äußere Oberfläche (40) der Abdeckplatte (10) über dem Eindringmerkmal (12) gepresst wird, wobei die erste und die zweite Schweißfläche (54, 56) der ersten und der zweiten Schweißelektrode (48, 52) an der Schweißstelle (16) flächig ausgerichtet sind; undein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode (48, 52) und durch den Werkstückstapel (14) an der Schweißstelle (16) hindurch geleitet wird, um ein Schmelzbad (68) aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes (22) zu erzeugen, wobei das Schmelzbad (68) aus geschmolzener Aluminiumlegierung eine benachbarte Stoßfläche (24) des Stahlwerkstückes (20) benetzt, und wobei das Schmelzbad (68) aus geschmolzener Aluminiumlegierung zu einer Schweißverbindung (70) erstarrt, welche die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke (20, 22) an deren Stoßgrenzfläche (32) nach Beendigen des Leitens des elektrischen Stromes durch den Werkstückstapel (14) aneinander bindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet der Erfindung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren ein Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels mit einem Stahlwerkstück und einem Aluminiumlegierungs-Werkstück.
Aus der DE 694 19 501 T2 geht ein Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, hervor, wobei das Verfahren umfasst, dass:

ein Werkstückstapel vorgesehen wird, welcher ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, welches das Stahlwerkstück überlappt und zu diesem benachbart liegt, um eine Stoßgrenzfläche an einer Schweißstelle herzustellen, wobei der Werkstückstapel eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite des Werkstückstapels nahe dem Stahlwerkstück liegt und die zweite Seite des Werkstückstapels nahe dem Aluminiumlegierungs-Werkstück liegt;
eine Werkstückplatte benachbart zu der ersten Seite des Werkstückstapels angeordnet wird, wobei die Werkstückplatte eine innere Oberfläche, die der ersten Seite des Werkstückstapels gegenübersteht, und eine äußere Oberfläche aufweist, die in die entgegengesetzte Richtung von der inneren Oberfläche weist;
wobei die Werkstückplatte ferner ein Eindringmerkmal umfasst, das mit der Schweißstelle ausgerichtet ist;
eine erste Schweißfläche einer ersten Schweißelektrode gegen die erste Seite des Werkstückstapels gepresst wird und eine zweite Schweißfläche einer zweiten Schweißelektrode gegen die äußere Oberfläche der Abdeckplatte über dem Eindringmerkmal gepresst wird;
wobei die erste und die zweite Schweißfläche der ersten und der zweiten Schwei-ßelektrode an der Schweißstelle flächig ausgerichtet sind;
und ein elektrischer Strom zwischen die erste und die zweite Schweißelektrode und durch den Werkstückstapel an der Schweißstelle hindurch geleitet wird, um ein Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zu erzeugen.

HINTERGRUND
Das Widerstandspunktschweißen ist ein Prozess, der in einer Anzahl von Industrien verwendet wird, um zwei oder mehr Metallwerkstücke zusammenzufügen. Beispielsweise verwendet die Automobilindustrie das Widerstandspunktschweißen oft, um vorgefertigte Metallwerkstücke während der Fertigung u. a. einer/s Fahrzeugtür, -haube, -Kofferraumdeckels, oder -Heckklappe zusammenzufügen. In der Regel wird eine Anzahl von Punktschweißnähten entlang einer umlaufenden Kante der Metallwerkstücke oder einer anderen Bindungsregion gebildet, um sicherzustellen, dass das Teil strukturell einwandfrei ist. Während das Punktschweißen in der Regel praktiziert wurde, um bestimmte, ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke - z. B. Stahl an Stahl und Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung - zusammenzufügen, hat der Wunsch, leichtere Materialien in eine Fahrzeugkarosseriestruktur einzubauen zu einem Interesse daran geführt, Stahlwerkstücke mittels Widerstandspunktschweißen an Aluminiumlegierungs-Werkstücke zu fügen. Insbesondere würde die Möglichkeit des Widerstandspunktschweißens von Werkstückstapeln, die unterschiedliche Werkstückkombinationen (z. B. Stahl/Stahl, Aluminiumlegierung/Stahl und Aluminiumlegierung/Aluminiumlegierung) enthalten, die Produktionsflexibilität fördern und Fertigungskosten reduzieren, da viele Fahrzeugmontagewerke bereits Punktschweiß-Infrastrukturen vor Ort haben. Der zuvor erwähnte Wunsch des Widerstandspunktschweißens von artungleichen Metallwerkstücken ist nicht nur der Automobilindustrie eigen; tatsächlich ist er in viele Industrien vorhanden, die das Punktschweißen als ein Fügeverfahren nutzen können, umfassend u. a. die Luftfahrt, die Schifffahrt, die Eisenbahn und die Bauindustrie.
Das Widerstandspunktschweißen beruht allgemein auf dem Widerstand gegen den Fluss eines elektrischen Stromes durch überlappende Metallwerkstücke und über deren Stoßgrenzfläche(n) hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Schweißprozess auszuführen, wird ein Satz aus zwei entgegengesetzten Punktschweißelektroden an ausgerichteten Punkten auf gegenüberliegende Seiten des Werkstückstapels geklemmt, der in der Regel zwei oder drei Metallwerkstücke umfasst, die in einer überlappenden Konfiguration an einer vorbestimmten Schweißstelle angeordnet sind. Dann wird ein elektrischer Strom von einer Schweißelektrode zu der anderen durch die Metallwerkstücke hindurch geleitet. Der Widerstand gegen den Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an deren Stoßgrenzfläche(n). Wenn der Werkstückstapel ein Stahlwerkstück und ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, initiiert und bringt die an der Stoßgrenzfläche und innerhalb des Hauptmaterials dieser artungleichen Metallwerkstücke erzeugte Wärme ein Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung zum Wachsen, das sich von der Stoßgrenzfläche weg in das Aluminiumlegierungs-Werkstück hinein erstreckt. Dieses Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung benetzt die benachbarte Stoßfläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach Beendigen des Stromflusses zu einer Schweißlinse, welche eine ganze Schweißverbindung oder einen Teil davon bildet, welche die beiden Werkstücke aneinander bindet.
In der Praxis stellt das Punktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück allerdings eine Herausforderung dar, da eine Anzahl von Eigenschaften dieser beiden Metalle die Festigkeit - vor allem die Abschälfestigkeit - der Schweißverbindung nachteilig beeinflussen kann. Zum einen enthält das Aluminiumlegierungs-Werkstück üblicherweise eine oder mehrere mechanisch zähe, elektrisch isolierende und selbstregenerierende, feuerfeste Oxidschichten auf seiner Oberfläche. Die Oxidschicht(en) besteht/en in der Regel aus Aluminiumoxiden, können aber auch andere Metalloxidverbindungen einschließlich Magnesiumoxide umfassen, wenn das Aluminiumlegierungs-Werkstück aus einer magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung besteht. Infolge ihrer physikalischen Eigenschaften neigt/en die feuerfeste/n Oxidschicht(en) dazu, an der Stoßgrenzfläche intakt zu bleiben, wo sie die Fähigkeit des Schmelzbades aus geschmolzener Aluminiumlegierung, das Stahlwerkstück zu benetzen, behindern können, und auch eine Quelle für Fehlstellen nahe der Grenzfläche innerhalb des wachsenden Schmelzbades bereitstellen. Die isolierende Beschaffenheit der Oberflächenoxidschicht(en) erhöht auch den elektrischen Kontaktwiderstand des Aluminiumlegierungs-Werkstückes - und zwar an seiner Stoßgrenzfläche und an seinem Elektrodenkontaktpunkt - was es schwierig macht, die Wärme innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes effektiv zu steuern und zu konzentrieren. Man hat sich in der Vergangenheit bemüht, die Oxidschicht(en) vor dem Punktschweißen von dem Aluminiumlegierungs-Werkstück zu entfernen. Derartige Entfernungsverfahren können jedoch unpraktisch sein, da die Oxidschicht(en) die Fähigkeit besitzt/en, sich in Gegenwart von Sauerstoff zu regenerieren, insbesondere mit der Anwendung von Wärme von Punktschweißvorgängen.
Das Stahlwerkstück und das Aluminiumlegierungs-Werkstück besitzen auch unterschiedliche Eigenschaften, die dazu neigen, den Punktschweißprozess kompliziert zu machen. Insbesondere weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (-1500 °C) und einen relativ hohen elektrischen und thermischen Widerstand auf, wohingegen das Aluminiumlegierungsmaterial 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 bildet einen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück (niedrigere Temperatur), der ein schnelles Schmelzen des Aluminiumlegierungs-Werkstückes initiiert. Die Kombination aus dem während des Stromflusses erzeugten Temperaturgradienten und der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumlegierungs-Werkstückes bedeutet, dass unmittelbar nachdem der elektrische Strom beendigt wird, eine Situation auftritt, in der Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle verteilt wird. Vielmehr wird Wärme von dem heißeren Stahlwerkstück durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück hindurch in Richtung der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumlegierungs-Werkstückes geleitet, was einen steilen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück und dieser bestimmten Schweißelektrode erzeugt.
Man nimmt an, dass die Entwicklung eines steilen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumlegierungs-Werkstückes die Integrität der resultierenden Schweißverbindung auf zwei primäre Arten schwächt. Erstens, da das Stahlwerkstück Wärme für eine längere Dauer zurückhält als das Aluminiumlegierungs-Werkstück, nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, erstarrt das Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung gerichtet, beginnend mit der Region, die der kälteren Schweißelektrode (oft wassergekühlt) am nächsten liegt, in Verbindung mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück, und sich in Richtung der Stoßgrenzfläche ausbreitend. Eine Erstarrungsfront dieser Art neigt dazu, Fehlstellen - z. B. Gasporosität, Schrumpfungshohlräume, Mikrorissbildung und Oberflächenoxidrückstände - in Richtung und entlang der Stoßgrenzfläche innerhalb der Schweißlinse mitzurei-ßen oder treiben. Zweitens begünstigt die anhaltend hohe Temperatur in dem Stahlwerkstück das Wachstum von spröden, intermetallischen Fe-AI-Verbindungen an und entlang der Stoßgrenzfläche. Die intermetallischen Verbindungen neigen dazu, dünne Reaktionsschichten zwischen der Schweißlinse und dem Stahlwerkstück zu bilden. Diese intermetallischen Schichten werden, wenn sie vorhanden sind, allgemein als Teil der Schweißverbindung zusätzlich zu der Schweißlinse betrachtet. Das Vorhandensein einer Verteilung von Schweißlinsenfehlstellen zusammen mit dem übermäßigen Wachstum von intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Stoßgrenzfläche neigt dazu, die Abschälfestigkeit der endgültigen Schweißverbindung herabzusetzen.
Im Licht der zuvor erwähnten Herausforderungen haben bisherige Bemühungen, ein Stahlwerkstück und ein Werkstück auf Aluminiumbasis punktzuschweißen, einen Schweißplan verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (verglichen mit dem Punktschweißen von Stahl an Stahl) vorschreibt, um eine vernünftige Schweißbindungsfläche zu versuchen und zu erhalten. Diese Bemühungen waren großteils erfolglos in einer Fertigungsumgebung und haben die Tendenz, die Schweißelektroden zu beschädigen. Da die bisherigen Punktschweißbemühungen nicht besonders erfolgreich waren, wurden stattdessen vorwiegend mechanische Verbindungselemente wie z. B. Schlagniete und Flow-Drill-Schrauben verwendet. Es dauert jedoch viel länger, solche mechanischen Verbindungselemente an Ort und Stelle zu setzen, und sie bringen verglichen mit dem Punktschweißen hohe Verbrauchsmaterialkosten mit sich. Sie fügen der Fahrzeugkarosseriestruktur auch Gewicht hinzu - Gewicht, das vermieden wird, wenn das Fügen mittels Punktschweißen bewerkstelligt wird - das einige der durch die Verwendung von Aluminiumlegierungs-Werkstücken erreichten Gewichtseinsparungen von vornherein aufhebt. Fortschritte beim Punktschweißen, die den Prozess besser in die Lage versetzen würden, Stahl- an Aluminiumlegierungs-Werkstücke zu fügen, wären daher eine willkommene Ergänzung auf dem technischen Gebiet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels vorgeschlagen, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
Der Werkstückstapel kann auch ein zusätzliches Werkstück wie z. B. ein weiteres Stahlwerkstück oder ein weiteres Aluminiumlegierungs-Werkstück umfassen, solange das Aluminiumlegierungs-Werkstück eine Seite des Stapels bereitstellt und das Stahlwerkstück die andere Seite des Werkstückstapels bereitstellt. Der Werkstückstapel kann als solcher nur ein Stahlwerkstück und ein überlappendes Aluminiumlegierungs-Werkstück umfassen, oder er kann zwei aneinandergrenzende Stahlwerkstücke, die benachbart zu einem Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet sind, oder zwei aneinandergrenzende Aluminiumlegierungs-Werkstücke umfassen, die benachbart zu einem Stahlwerkstück angeordnet sind. Außerdem können, wenn der Werkstückstapel drei Werkstücke umfasst, die zwei Werkstücke mit einer gleichartigen Zusammensetzung durch separate und eigene Teile vorgesehen sein, oder sie können alternativ durch das gleiche Teil vorgesehen sein.
Das offenbarte Verfahren umfasst, dass eine Abdeckplatte, die ein Eindringmerkmal umfasst, benachbart zu einem Aluminiumlegierungs-Werkstück auf einer Seite des Werkstückstapels an einer Schweißstelle angeordnet wird. Die Abdeckplatte kann so gebaut sein, dass sie einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück, neben dem sie angeordnet ist, muss aber nicht. Dann wird eine Schweißelektrode mit der Abdeckplatte über dem Eindringmerkmal in Kontakt gebracht und dagegen gepresst, während eine weitere Schweißelektrode in Kontakt mit einer entgegengesetzten Seite des Werkstückstapels in Kontakt gebracht und dagegen gepresst wird. Ein elektrischer Strom mit einer hinreichenden Stärke und Dauer (konstant oder gepulst) wird zwischen die Schweißelektroden durch die Werkstücke und die Abdeckplatte hindurch geleitet. Der Durchgang des elektrischen Stromes initiiert und bringt ein Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes zum Wachsen, das benachbart zu dem Stahlwerkstück liegt. Dieses Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung benetzt eine benachbarte Stoßfläche des Stahlwerkstückes und erstreckt sich von der Stoßgrenzfläche der benachbarten Werkstücke weg in das Aluminiumlegierungs-Werkstück hinein und möglicherweise durch dasselbe hindurch. Schließlich, nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, kühlt das Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung ab und erstarrt zu einer Schweißverbindung, welche die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke aneinander bindet.
Das Punktschweißverfahren wird durch das in der Abdeckplatte definierte Eindringmerkmal unterstützt. Im Speziellen bewirkt das Eindringmerkmal während des Punktschweißens, dass der elektrische Strom zwischen den Schweißelektroden ausgetauscht wird, um beim Einsetzen des Stromflusses und in einigen Fällen über die gesamte Dauer des Stromflusses ein konisches Flussmuster innerhalb des benachbart zu den Stahlwerkstücken befindlichen Aluminiumlegierungs-Werkstückes anzunehmen. Das konische Flussmuster hat eine Abnahme der Stromdichte innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes - verglichen mit dem benachbarten Stahlwerkstück - zur Folge, wodurch dreidimensionale Temperaturgradienten um das Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung herum gebildet werden, um dabei zu helfen, dass das Schmelzbad auf wünschenswertere Art und Weise zu der Schweißverbindung erstarrt. Dieses wünschenswertere Erstarrungsverhalten wird weiter begünstigt, wenn die Abdeckplatte aus einem thermisch und elektrisch widerstandsfähigeren Material als das benachbart zu dem Stahlwerkstück befindliche Aluminiumlegierungs-Werkstück gebaut ist, da in diesem Szenario die Abdeckplatte zusätzliche Wärme erzeugt und auch nach Beendigen des Stromflusses Wärme für eine längere Dauer zurückhält als das Aluminiumlegierungs-Werkstück. Wenn außerdem die Abdeckplatte in direktem Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet wird, das benachbart zu dem Stahlwerkstück liegt, und das Eindringmerkmal an dem angrenzenden Aluminiumlegierungs-Werkstück offen ist, stellt das Eindringmerkmal ein/en offenen/s Raum oder Volumen bereit, welcher/s eine Bewegung des Schmelzbades aus geschmolzener Aluminiumlegierung während eines Stromflusses zulässt, die dabei hilft, durch Oxidreste in der Nähe der Stoßgrenzfläche verursachte Fehlstellen aufzubrechen und umzuverteilen, um so die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung zu verbessern.
Es können viele Schweißelektrodengestaltungen in Verbindung mit der Abdeckplatte verwendet werden. Dies erleichtert die Prozessflexibilität. Es besteht insbesondere keine Notwendigkeit, Schweißelektroden zu verwenden, die strengen Größen- und Formanforderungen genügen, um Werkstückstapel erfolgreich punktzuschweißen, die benachbarte Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke umfassen. Jede der Schweißelektroden kann daher mit anderen Zwecken im Sinn wie z. B. das Punktschweißen von Stahl an Stahl oder Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung gebaut werden. Als solche können die gleichen Schweißelektroden, die in der Regel zum Punktschweißen eines Aluminiumlegierungs-Werkstückes an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück verwendet werden, auch zum Punktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück mithilfe der Abdeckplatte verwendet werden, was bedeutet, dass der gleiche Schweißpistolenaufbau verwendet werden kann, um beide Sätze von Werkstückstapeln punktzuschweißen, ohne dass es notwendig ist, eine oder beide der Schweißelektroden auszuwechseln. Das Gleiche gilt auch für Schweißelektroden, die in der Regel zum Punktschweißen von Stahl an Stahl verwendet werden. Tatsächlich können einige Schweißelektroden sogar verwendet werden, um alle drei Sätze von Stapeln - d. h. Stahl an Stahl, Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung und Stahl an Aluminiumlegierung (mithilfe der Abdeckplatte) punktzuschweißen.
Figurenliste

1 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Werkstückstapels gemäß einer Ausführungsform, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, die in überlappender Weise zum Widerstandspunktschweißen zusammengesetzt sind, und wobei eine Abdeckplatte benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet ist, sodass sich der Stapel und die Abdeckplatte zwischen einem Paar entgegengesetzter Schweißelektroden befinden;
2 ist eine partielle, vergrößerte Querschnittsansicht des Stapels, der Abdeckplatte und der entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 1 abgebildet sind;
3 ist eine partielle, auseinandergezogene seitliche Querschnittsansicht des Stapels, der Abdeckplatte und der entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 2 abgebildet sind;
4 ist eine Querschnittsansicht eines in der Abdeckplatte umfassten Eindringmerkmales gemäß einer Ausführungsform;
5 ist eine Querschnittsansicht eines in der Abdeckplatte umfassten Eindringmerkmales gemäß einer anderen Ausführungsform;
6 ist eine Querschnittsansicht eines in der Abdeckplatte umfassten Eindringmerkmales gemäß einer noch anderen Ausführungsform;
7 ist eine partielle Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der gemäß einer Ausführungsform ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, und einer Abdeckplatte, die benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet ist, vor dem Durchgang eines elektrischen Stromes zwischen entgegengesetzten Schweißelektroden, wobei eine erste Schweißelektrode mit einer äußeren Oberfläche des Stahlwerkstückes in Kontakt steht und eine zweite Schweißelektrode mit der Abdeckplatte in Kontakt steht;
8 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels und einer Abdeckplatte, wie in 7 gezeigt, während des Punktschweißens, bei dem ein Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes und an der Stoßgrenzfläche des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes initiiert wurde;
9 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels von 8 nach Unterbrechen des elektrischen Stromes, Zurückziehen der Schweißelektroden und Entfernen der Abdeckplatte, wobei eine Schweißverbindung an der Stoßgrenzfläche des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes gebildet wurde;
10 ist eine idealisierte Illustration, welche die Richtung der Erstarrungsfront in einem Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung zeigt, die von dem Punkt der kälteren Schweißelektrode am nächsten, die gegen das Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet ist, in Richtung der Stoßgrenzfläche erstarrt, wenn keine Abdeckplatte gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
11 ist eine idealisierte Illustration, welche die Richtung der Erstarrungsfront in einem Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung zeigt, wenn das Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung infolge einer Abdeckplatte, die ein Eindringmerkmal umfasst, von seinem äußeren Umfang in Richtung seines Zentrums erstarrt;
12 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels und einer Abdeckplatte während des Punktschweißens, bei dem ein Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes und an der Stoßgrenzfläche initiiert wurde und zusätzlich ein Schmelzbad aus geschmolzenem Stahl innerhalb des Stahlwerkstückes initiiert wurde;
13 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels von 12 nach Unterbrechen des elektrischen Stromes, Zurückziehen der Schweißelektroden und Entfernen der Abdeckplatte, wobei eine Schweißverbindung an der Stoßgrenzfläche gebildet wurde und eine Stahlschweißlinse innerhalb des Stahlwerkstückes gebildet wurde;
14 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Werkstückstapels, der gemäß einer anderen Ausführungsform ein Stahlwerkstück, ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück und ein zusätzliches Stahlwerkstück umfasst, die in überlappender Weise zum Widerstandspunktschweißen zusammengesetzt sind, und wobei eine Abdeckplatte benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet ist, sodass sich der Stapel und die Abdeckplatte zwischen einem Paar entgegengesetzter Schweißelektroden befinden; und
15 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Werkstückstapels, der gemäß einer noch anderen Ausführungsform ein Stahlwerkstück, ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück und ein zusätzliches Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, die in überlappender Weise zum Widerstandspunktschweißen zusammengesetzt sind, und wobei eine Abdeckplatte benachbart zu dem zusätzlichen Aluminiumlegierungs-Werkstück angeordnet ist, sodass sich der Stapel und die Abdeckplatte zwischen einem Paar entgegengesetzter Schweißelektroden befinden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevorzugte und exemplarische Ausführungsformen eines Verfahrens zum Punktschweißen eines Werkstückstapels 14, der ein Stahlwerkstück 20 und ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 umfasst, sind in den 1-15 gezeigt und unten stehend beschrieben. Die beschriebenen Ausführungsformen verwenden eine Abdeckplatte 10, die ein Eindringmerkmal 12 umfasst. Die Abdeckplatte 10 ist benachbart zu einem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 auf einer Seite des Werkstückstapels 14 zwischen einer Schweißelektrode 52 und dem Werkstückstapel 14 angeordnet, um so das Flussmuster und die Dichte des elektrischen Stromes zu beeinflussen, der durch die mehreren überlappenden Werkstücke fließt. Außerdem stellt die Abdeckplatte 10 in einigen Fällen ein Mittel auf der Seite des Werkstückstapels 14 zwischen dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, das benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 liegt, und der Schweißelektrode 52, die der speziellen Seite des Stapels 14 gegenübersteht, bereit. Auf diese Weise kann die Abdeckplatte 10 Wärme während eines Stromflusses erzeugen und Wärme für eine längere Dauer zurückhalten als das benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 an der Schweißstelle 16 befindliche Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Überdies, wenn die Abdeckplatte 10 in direktem Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 angeordnet wird, das benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 liegt, und das Eindringmerkmal 12 an dem angrenzenden Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 offen ist, lässt das Eindringmerkmal 12 eine Bewegung des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung während eines Stromflusses zu, die dabei hilft, durch Oxidreste in der Nähe der Stoßgrenzfläche 32 verursachte Fehlstellen aufzubrechen und umzuverteilen. Diese funktionellen Wirkungen der Abdeckplatte 10 helfen dabei, eine starke Schweißverbindung zwischen den benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücken 22 zu bilden, indem das Erstarrungsverhalten des innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 gebildeten Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung verändert wird.
Die 1-3 zeigen allgemein die Abdeckplatte 10 und einen Werkstückstapel 14, die in überlappender Weise zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle 16 mithilfe einer Schweißpistole 18 gestapelt sind. Der Werkstückstapel 14 umfasst ein Stahlwerkstück 20 und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Das Stahlwerkstück 20 ist bevorzugt ein verzinkter (mit Zink beschichteter) kohlenstoffarmer Stahl. Es können selbstverständlich auch andere Arten von Stahlwerkstücken, u. a. kohlenstoffarmer, blanker Stahl oder verzinkter „Advanced High Strength“ Stahl (AHSS) verwendet werden. Einige spezifische Arten von Stählen, die in dem Stahlwerkstück 20 verwendet werden können, umfassen Interstitial-free" (IF)-Stahl, Dualphasen (DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity“ (TRIP)-Stahl und pressgehärteten Stahl (PHS vom engl. presshardened steel). Was das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 betrifft, so kann es eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung sein, und es kann mit einer natürlichen feuerfesten Oxidschicht beschichtet sein, oder es kann alternativ mit Zink, Zinn oder einer Konversionsbeschichtung beschichtet sein, um das Klebevermögen zu verbessern. Einige spezifische Aluminiumlegierungen, die in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 verwendet werden können, umfassen die Aluminium-Magnesium-Legierung AA5754, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung AA6111 und AA6022 und die Aluminium-Zink-Legierung AA7003. Der Ausdruck „Werkstück“ und seine Stahl- und Aluminiumvarianten werden in der vorliegenden Erfindung weitläufig verwendet, um sich auf eine bearbeitete Metallblechschicht, ein Gussteil, ein Strangpressteil oder jedes andere widerstandspunktschweißbare Substrat einschließlich jeglicher Oberflächenschichten oder -beschichtungen, falls vorhanden, zu beziehen.
Wenn es zum Punktschweißen gestapelt ist, wie am besten in den 2-3 gezeigt, umfasst das Stahlwerkstück 20 eine Stoßfläche 24 und eine äußere Oberfläche 26. Gleichermaßen umfasst das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 eine Stoßfläche 28 und eine äußere Oberfläche 30. Die Stoßflächen 24, 28 der beiden Werkstücke 20, 22 überlappen einander, um eine Stoßgrenzfläche 32 an der Schweißstelle 16 bereitzustellen. Die Stoßgrenzfläche 32, wie hierin verwendet, umfasst Fälle eines direkten Kontakts zwischen den Stoßflächen 24, 28 der Werkstücke 20, 22 wie auch Fälle eines indirekten Kontakts wie z. B., wenn sich die Stoßflächen 24, 28 nicht berühren, sich aber nahe genug nebeneinander befinden - z. B. wenn eine dünne Schicht aus Kleber, Porenfüller oder ein anderes dazwischen befindliches Material vorhanden ist - dass ein Widerstandspunktschweißen dennoch durchgeführt werden kann. In einigen Fällen kann eine dünne Beschichtung aus Porenfüller oder Kleber zwischen den Stoßflächen 24, 28 der Werkstücke 20, 22 aufgebracht werden, um dabei zu helfen, die Werkstücke 20, 22 entlang ihrer Stoßgrenzfläche 32 zusammenzuhalten.
Die äußeren Oberflächen 26, 30 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 20, 22 weisen andererseits allgemein voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen, um sie für ein Paar entgegengesetzter Punktschweißelektroden 48, 52 zugänglich zu machen. Hier, in dieser Ausführungsform, stellt die äußere Oberfläche 26 des Stahlwerkstückes 20 eine erste Seite 34 des Werkstückstapels 14 bereit und dar, und die äußere Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes stellt eine entgegengesetzte zweite Seite 36 des Stapels 14 bereit und dar. Jedes von dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 20, 22 weist bevorzugt eine Dicke 200, 220 auf - die von der Stoßfläche 24, 28 zu der äußeren Oberfläche 26, 30 jedes Werkstückes 20, 22 gemessen wird - welche in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm, und stärker bevorzugt von 0,5 mm bis 4,0 mm zumindest an der Schweißstelle 16 liegt.
Die Abdeckplatte 10, wie gezeigt, ist benachbart zu der zweiten Seite 36 des Werkstückstapels 14 neben dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 angeordnet, sodass das Eindringmerkmal 12 an der Schweißstelle 16 vorhanden ist. Die Abdeckplatte 10 umfasst eine innere Oberfläche 38, die der äußeren Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 gegenübersteht und bevorzugt einen Grenzflächenkontakt mit derselben herstellt, wenn sie angeordnet ist, und eine in die entgegengesetzte Richtung weisende äußere Oberfläche 40. Die Abdeckplatte 10 weist eine Dicke 100 zwischen ihren Oberflächen 38, 40 an der Schweißstelle 16 auf, die in einem Bereich von 0,2 mm bis 10 mm liegen kann. Im Hinblick auf ihre Zusammensetzung kann die Abdeckplatte 10 aus einem Material zusammengesetzt sein, das einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, oder aus einem Material sein, das einen niedrigeren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Das Material der Abdeckplatte 10 ist bevorzugt auch nicht reaktiv oder beinahe nicht reaktiv mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 während des Punktschweißens, um zu vermeiden, dass das Werkstück 22 mit Metallreaktionsprodukten verunreinigt wird.
Die Abdeckplatte 10 kann z. B. aus einem Material hergestellt sein, das einen thermischen Widerstand und einen elektrischen Widerstand aufweist, die nicht nur höher sind als bei dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, sondern zumindest doppelt so hoch wie der thermische Widerstand von handelsüblichem weich geglühtem, reinen Kupfer bzw. der elektrische Widerstand von handelsüblichem weich geglühtem, reinem Kupfer, wie durch den International Annealed Copper Standard definiert (d. h. 100 % IACS). Der elektrische Widerstand von handelsüblichem, weich geglühtem, reinem Kupfer, wie durch den IACS definiert, beträgt 1,72×10^-8 Ω/m. Und der thermische Widerstand von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, ist hierin mit 2,6×10^-3 (m°K)/W definiert. Einige spezifische Materialien dieser Art umfassen Molybdän, Edelstahl oder eine Wolfram-Kupfer-Legierung wie z. B. eine Legierung mit 55 Gew.-% bis 85 Gew.-% Wolfram und 45 Gew.-% bis 15 Gew.-% Kupfer. Alternativ, als ein anderes Beispiel, kann die Abdeckplatte 10 aus einer Kupferlegierung hergestellt sein, die einen niedrigeren thermischen Widerstand und elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Ein spezifisches Beispiel für eine geeignete Kupferlegierung ist eine Zirkonium-Kupfer-Legierung (ZrCu), die 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Zirkonium und als Rest Kupfer enthält, wenngleich selbstverständlich andere Kupferlegierungs-Zusammensetzungen verwendet werden können.
Die Schweißpistole 18, die zum Punktschweißen des Werkstückstapels 14 und zum Zusammenfügen des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 20, 22 an ihrer Stoßgrenzfläche 32 verwendet wird, kann von jeder bekannten Art sein. Zum Beispiel, wie hier in den 1-2 gezeigt, umfasst die Schweißpistole 18, die Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes ist, einen ersten Pistolenarm 42 und einen zweiten Pistolenarm 44, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Punktschweißnähte gemäß einem definierten Schweißplan zu bilden. Der erste Pistolenarm 42 weist eine erste Elektrodenhalterung 46 auf, welche eine erste Schweißelektrode 48 festhält, und der zweite Pistolenarm 40 weist eine zweite Elektrodenhalterung 50 auf, welche eine zweite Schweißelektrode 52 festhält. Die erste und die zweite Schweißelektrode 48, 52 sind jeweils bevorzugt aus einem elektrische leitfähigen Material wie z. B einer Kupferlegierung gebildet. Ein spezifisches Beispiel ist eine Zirkonium-KupferLegierung (ZrCu), die 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Zirkonium und als Rest Kupfer enthält. Kupferlegierungen, die dieser Bestandteilzusammensetzung entsprechen und als C15000 bezeichnet werden, sind bevorzugt. Selbstverständlich können auch andere Kupferlegierungs-Zusammensetzungen verwendet werden, die geeignete mechanische und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften besitzen. Die in den 1-2 gezeigte Schweißpistole 18 ist als für eine breite Vielfalt von Schweißpistolen, u. a. c- und x-Schweißpistolen wie auch andere Schweißpistolen, die hier nicht speziell erwähnt sind, sofern sie zum Punktschweißen des Werkstückstapels 14 in der Lage sind, stehend zu verstehen.
Die erste Schweißelektrode 48 umfasst eine erste Schweißfläche 54 und die zweite Schweißelektrode 52 umfasst eine zweite Schweißfläche 56. Die Schweißflächen 54, 56 der ersten und der zweiten Schweißelektroden 48, 52 sind die Abschnitte der Elektroden 48, 52, die während des Punktschweißens gegen die erste Seite 34 des Werkstückstapels 14, welche in dieser Ausführungsform auch die äußere Oberfläche 26 des Stahlwerkstückes 20, bzw. die äußere Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 ist, welche über der zweiten Seite 36 des Werkstückstapels 14 liegt, gepresst werden. Jede der Schweißflächen 54, 56 kann flach oder gewölbt sein und kann ferner Oberflächenmerkmale (z. B. Oberflächenrauigkeit, Ringmerkmale, 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, 8,525,066 und 8,927,894 beschrieben. Ein Mechanismus zum Kühlen der Elektroden 48, 52 mit Wasser ist in der Regel in die Pistolenarme 42, 44 und die Elektrodenhalterungen 46, 50 eingebaut, um die Temperaturen der Schweißelektroden 48, 52 zu regeln.
Die Schweißpistolenarme 42, 44 sind während des Punktschweißens betreibbar, um die Schweißflächen 54, 56 der ersten und der zweiten Schweißelektroden 48, 52 gegen die äußere Oberfläche 26 des Stahlwerkstückes 20 bzw. die äußere Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 zu pressen. Die erste und die zweite Schweißfläche 54, 56 werden in der Regel gegen ihre jeweiligen äußeren Oberflächen 26, 40 in flächiger, axialer Ausrichtung zueinander an der vorgesehenen Schweißstelle 16 gepresst. Dann wird ein elektrischer Strom von einer steuerbaren Leistungsquelle (nicht gezeigt) in elektrischer Verbindung mit der Schweißpistole 18 zugeführt. Der angelegte elektrische Strom wird zwischen die Schweißelektroden 48, 52 geleitet. Die Stärke und die Dauer des elektrischen Stromes sind durch einen Schweißplan festgelegt, der spezifisch programmiert ist, um das Zusammenfügen des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 20, 22 zu bewirken.
Nunmehr Bezug nehmend auf 4 kann sich das innerhalb der Abdeckplatte 10 definierte Eindringmerkmal 12 teilweise oder vollständig zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche 38, 40 der Abdeckplatte 10 erstrecken, um einen Leerraum innerhalb der Platte 10 bereitzustellen. Wenn sie zu Beginn des Stromflusses gegen die äußere Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 gepresst wird, stellt die Schweißfläche 56 der zweiten Schweißelektrode 52 einen Kontakt mit der äußeren Oberfläche 40 über dem Eindringmerkmal 12 her. Anders ausgedrückt, wenn die umlaufende Grenze des Oberflächenbereiches der äußeren Oberfläche 40, die zu Beginn des Stromflusses durch die Schweißfläche 56 kontaktiert wird, zu der äußeren Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 extrapoliert wird, wie hier durch die Bezugsziffer 58 illustriert, würde das Eindringmerkmal 12 vollständig innerhalb der dargestellten Region eingeschlossen. Diese Beziehung zwischen dem kontaktierten Bereich der äußeren Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 und dem Eindringmerkmal 12 ist unabhängig davon gültig, ob das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 das obere oder das untere Werkstück in dem Stapel 14 ist. Demzufolge ist der Ausdruck „über“ nicht so zu verstehen, dass das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 sich immer oben auf dem Stahlwerkstück 20 befinden muss, sodass sich die zweite Schweißelektrode 48 genau genommen über dem Eindringmerkmal 12 befindet.
Das Eindringmerkmal 12 bewirkt, dass der elektrische Strom zwischen den Schweißelektroden 48, 52 ausgetauscht wird, um ein konisches Flussmuster innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 zumindest beim Einsetzen des Stromflusses anzunehmen, wie durch die Pfeile 60 dargestellt. Das durch das Eindringmerkmal 12 induzierte konische elektrische Stromflussmuster 60 dehnt sich radial von der Stoßgrenzfläche 32 in Richtung der zweiten Schweißelektrode 52 aus. Durch Induzieren des konischen Flussmusters 60 und somit Verringern der Stromdichte in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 gerichtet von der Stoßgrenzfläche 32 in Richtung der zweiten Schweißelektrode 52 wird Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 20 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 konzentriert. Diese Funktion der Abdeckplatte 10 erzeugt dreidimensionale Temperaturgradienten - insbesondere radiale Temperaturgradienten, die in der Ebene der Werkstücke 20, 22 wirksam sind - die das Erstarrungsverhalten des an der Stoßgrenzfläche 32 initiierten und zum Wachsen gebrachten Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung verändern, sodass Fehlstellen in der schließlich gebildeten Schweißverbindung an eine ungefährlichere Stelle geleitet werden. Und wenn die Abdeckplatte 10 aus einem Material gebaut ist, das einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, z. B. Molybdän, stellt sie auch ein Mittel zwischen dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 und der zweiten Schweißelektrode 52 bereit, das Wärme während eines Stromflusses erzeugt, und hält außerdem Wärme über eine längere Dauer zurück als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, nachdem der Durchgang des elektrischen Stromes zwischen den Elektroden 48, 52 aufgehört hat. Eine derartige zusätzliche Erwärmung begünstigt ferner das durch das konische elektrische Stromflussmuster 60 induzierte Erstarrungsverhalten.
Das Eindringmerkmal 12 kann in vielerlei Weise gebaut sein. Gemäß einer spezifischen Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, kann das Eindringmerkmal 12 eine Durchgangsbohrung 62 sein, die sich zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche 28, 40 der Abdeckplatte 10 erstreckt, um die Dicke 100 der Abdeckplatte 10 vollständig zu queren. Das Eindringmerkmal 12 muss sich jedoch nicht unbedingt in dieser Weise über die ganze Strecke durch die Abdeckplatte 10 hindurch erstrecken. Gemäß einer anderen Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, kann das Eindringmerkmal 12 z. B. eine Vertiefung 64 sein, welche die Dicke 100 der Abdeckplatte 10 teilweise quert und sich von der äußeren Oberfläche 40 der Platte 10 weg erstreckt, aber die innere Oberfläche 38 nicht erreicht. In ähnlicher Weise kann das Eindringmerkmal 12 gemäß einer anderen Ausführungsform, wie in 6 gezeigt, eine Vertiefung 66 sein, welche die Dicke 100 der Abdeckplatte 10 teilweise quert, sich aber dieses Mal von der inneren Oberfläche 38 der Platte 10 weg erstreckt, aber die äußere Oberfläche 40 nicht erreicht.
Die Eindringmerkmale 62, 66, wie in den 4 und 6 gezeigt, sind Beispiele für Merkmale, die zu der äußeren Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 offen sind, wenn die innere Oberfläche 38 der Abdeckplatte 10 in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 angeordnet ist. Unter diesen Umständen stellen die Eindringmerkmale 62, 66 in den 4 bzw. 6 wie auch andere ähnlich offene Eindringmerkmale ein/en offenen/s Raum oder Volumen bereit, welcher/s eine Bewegung des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung zulässt, insbesondere, wenn das Schmelzbad vollständig durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 hindurch bis zu seiner äußeren Oberfläche 30 eindringt. Diese Art von Bewegung oder Rühren des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung kann die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung verbessern, indem Oxidrest-Fehlstellen, die oft in der Nähe der Stoßgrenzfläche 32 anzutreffen sind, aufgebrochen und umverteilt werden.
Die 1-2 und 7-9 illustrieren eine Ausführungsform eines Punktschweißprozesses, bei dem der Werkstückstapel 14 an der Schweißstelle 16 punktgeschweißt wird, um das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück 20, 22 an ihrer Stoßgrenzfläche 32 mithilfe der Abdeckplatte 10 zusammenzufügen. Die Abdeckplatte 10 weist hier einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand auf als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 und ist bevorzugt aus Molybdän, Edelstahl oder einer Wolfram-Kupfer-Legierung gebaut. Zunächst wird der Werkstückstapel 14 zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 48, 52 angeordnet, sodass die Schweißflächen 54, 56 der Elektroden 48, 52 an der Schweißstelle 16 ausgerichtet und einander zugewandt sind. Der Werkstückstapel 14 kann an eine solche Stelle gebracht werden, wie es oft der Fall ist, wenn die Pistolenarme 42, 44 Teil eines feststehenden Sockelschweißgeräts sind, oder die Pistolenarme 42, 44 können robotertechnisch bewegt werden, um die Schweißelektroden 48, 52 bezüglich der Schweißstelle 16 anzuordnen. Während die erste und die zweite Schweißelektrode 48, 52 noch getrennt sind, wird die Abdeckplatte 10 benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 angeordnet, sodass das Eindringmerkmal 12 an der Schweißstelle 16 vorhanden und mit der bevorstehenden Bahn der zweiten Schweißelektrode 52 ausgerichtet ist. Wie gezeigt, liegt die innere Oberfläche 38 der Abdeckplatte 10 bevorzugt gegen die äußere Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 und in direktem Kontakt damit an.
Sobald der Werkstückstapel 14 und die Abdeckplatte 10 korrekt angeordnet sind, laufen der erste und der zweite Pistolenarm 42, 44 relativ zueinander zusammen, um die erste Schweißelektrode 48 in Kontakt mit dem Stahlwerkstück 20 zu bringen und die zweite Schweißelektrode 52 in Kontakt mit der Abdeckplatte 10 zu bringen, jede an der Schweißstelle 16, wie in 7 gezeigt. Insbesondere wird die Schweißfläche 54 der ersten Schweißelektrode 48 gegen die äußere Oberfläche 26 des Stahlwerkstückes 20 an der ersten Seite 34 des Werkstückstapels 14 gepresst, und die Schweißfläche 56 der zweiten Schweißelektrode 52 wird über dem Eindringmerkmal 12 gegen die äußere Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 gepresst. Die Schweißfläche 56 der zweiten Schweißelektrode 52 stellt einen Kontakt mit einem kreisringförmigen Abschnitt der äußeren Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 her, welcher das Eindringmerkmal 12 umgibt, um den Stromfluss zu der Schweißelektrode 52 in dem gewünschten konischen Flussmuster 60 zu erleichtern. Die durch die Pistolenarme 42, 44 festgelegte Klemmkraft hilft dabei, einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Schweißelektroden 48, 52 und den äußeren Oberflächen 26, 40, in die sie eingreifen, herzustellen.
Dann wird ein elektrischer Strom - in der Regel ein Gleichstrom zwischen etwa 5kA und etwa 50 kA - zwischen die Schweißflächen 54, 56 und durch die Abdeckplatte 10 und den Werkstückstapel 14 an der Schweißstelle 16 geleitet, wie durch den Schweißplan vorgegeben. Der elektrische Strom wird in der Regel als ein konstanter Strom oder als eine Reihe von Stromimpulsen über eine Dauer von etwa 40 Millisekunden bis etwa 1000 Millisekunden durchgeleitet. Zumindest zu Beginn des Stromflusses bewirkt das Eindringmerkmal 12 in der Abdeckplatte 10, dass der Strom das konische Flussmuster 60 innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 annimmt. Das konische Flussmuster 60 entwickelt sich, da das Eindringmerkmal 12 als ein elektrisch isolierender Leerraum innerhalb der Abdeckplatte 10 zwischen dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 und der zweiten Schweißelektrode 52 dient. Das Vorhandensein solch eines elektrisch isolierenden Leerraumes zwingt den elektrischen Strom dazu, sich radial von der Stoßgrenzfläche 32 in Richtung der Schweißfläche 56 der zweiten Schweißelektrode 52 auszudehnen, wie zuvor beschrieben. Andererseits leitet die erste Schweißelektrode 48 den elektrischen Strom durch eine stärker konzentrierte Querschnittsfläche innerhalb des Stahlwerkstückes 20.
Der Durchgang des elektrischen Stromes zwischen den Schweißelektroden 48, 52 bewirkt, dass sich die Abdeckplatte 10 und das Stahlwerkstück 20 infolge ihrer relativ höheren thermischen und elektrischen Widerstände anfänglich schneller erwärmen als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Die aus dem Widerstand gegen den Fluss von elektrischem Strom über die Stoßgrenzfläche 32 hinweg erzeugte Wärme bringt schließlich das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 an der Schweißstelle 16 zum Schmelzen und initiiert ein Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung, wie in 8 gezeigt. Das fortgesetzte Leiten des elektrischen Stromes durch die Werkstücke 20, 22 bringt schließlich das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung zum Wachsen bis zu der erwünschten Größe, was in vielen Fällen, wie hier gezeigt, zur Folge hat, dass das Schmelzbad 68 vollständig durch die gesamte Dicke 220 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 eindringt, sodass es mit der benachbarten inneren Oberfläche 38 der Abdeckplatte 10 in Kontakt gelangt. Das Eindringmerkmal 12 kann zu diesem Zeitpunkt teilweise oder vollständig mit der Aluminiumlegierungsschmelze gefüllt werden, wenn das Merkmal 12 an der äußeren Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 zugänglich ist, wie z. B. jene Eindringmerkmale 12, die in den 4 und 6 gezeigt sind. Dieser Vorgang gestattet eine Bewegung des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung und hilft somit dabei, in der Nähe der Stoßgrenzfläche 32 befindliche Oxidrückstand-Fehlstellen aufzubrechen und umzuverteilen. Während seiner Initiierungs- und Wachstumsphasen benetzt das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung einen benachbarten Bereich der Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20.
Das Induzieren des konischen elektrischen Stromflussmusters 60 innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 hat zur Folge, dass Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 20 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 konzentriert wird. Da in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 Wärme weniger konzentriert wird, wird den umliegenden Abschnitten des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 außerhalb der Schweißstelle 16 weniger Schaden zugefügt. Schließlich, wenn der elektrische Stromfluss beendigt wird, erstarrt das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung, um eine Schweißverbindung 70 zu bilden, welche das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück 20, 22 an der Stoßgrenzfläche 32 aneinander bindet, wie allgemein in 9 illustriert. Die Schweißverbindung 70 umfasst eine Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 72 und in der Regel eine oder mehrere Reaktionsschichten 74 der intermetallischen Fe-Al-Verbindungen. Die Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 72 dringt bis zu einer Distanz in das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 ein, die 20 % der Dicke 220 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 übersteigt und dringt oft vollständig durch die gesamte Dicke 220 (d. h. 100 %) des Werkstückes 22 hindurch ein.
Die eine oder mehreren Reaktionsschicht/en 74 aus intermetallischen Fe-Al-Verbindungen befindet/n sich, falls vorhanden, zwischen der Masse der Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 72 und dem Stahlwerkstück 20. Diese Schichten werden hauptsächlich infolge einer Reaktion zwischen dem Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung und dem Stahlwerkstück 20 bei Punktschweißtemperaturen während eines Stromflusses und für eine kurze Zeitspanne nach einem Stromfluss, wenn das Stahlwerkstück 20 noch immer heiß ist, erzeugt. Die eine oder mehreren Schicht/en aus intermetallischen Fe-Al-Verbindungen kann/können Intermetalle wie z. B. FeAl₃ und Fe₂Al₅ wie auch andere umfassen, und deren kombinierte Dicke liegt in der Regel in einem Bereich von 1 µm bis 3 µm, wenn sie in der gleichen Richtung wie die Dicken 200, 220 der Werkstücke 20, 22 in zumindest dem Abschnitt der Schweißverbindung 70 unter der Stelle, wo das Eindringmerkmal 12 vorhanden ist, gemessen wird. Eine Gesamtdicke der intermetallischen Reaktionsschicht/en von 1 µm bis 3 µm an dieser Stelle ist dünner, als zu erwarten wäre, wenn die Abdeckplatte 10 nicht verwendet würde.
Man nimmt an, dass die Verwendung der Abdeckplatte 10 die Festigkeit und Integrität der Schweißverbindung 70 auf zumindest zweierlei Art und Weise verbessert. Erstens verringert die hinzugefügte Wärme von der Abdeckplatte 10 die Wärmemenge, die erforderlich ist, um von dem Stahlwerkstück 20 eingebracht zu werden, um das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung zu erzeugen, was wiederum die Menge spröder intermetallischer Verbindungen verringert, die an der Stoßgrenzfläche 32 gebildet werden. Zweitens induziert die Abdeckplatte 10 das konische elektrische Stromflussmuster 60 und erleichtert auch die Schaffung einer Region zurückgehaltener Wärme auf jeder Seite des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 nach Beendigen des elektrischen Stromflusses. Im Speziellen wird infolgedessen, dass die Abdeckplatte 10 das konische elektrische Stromflussmuster 60 induziert, Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 20 an der Schweißstelle 16 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 konzentriert. Und da das Stahlwerkstück 20 einen höheren thermischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, hält die innerhalb des Stahlwerkstückes 20 erzeugte Wärme länger an als sie es in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 tun würde. In einer ähnlichen Weise hält die Abdeckplatte 10 selbst auf der anderen Seite des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 an der Schweißstelle 16 erzeugte Wärme zurück, da sie ebenfalls einen höheren thermischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Die innerhalb der Abdeckplatte 10 erzeugte Wärme ist das Ergebnis des elektrischen Stromes, der zuletzt durchgeleitet wurde. Überdies gestattet das Eindringmerkmal 12, wenn die Abdeckplatte 10 in direktem Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 angeordnet ist und das Eindringmerkmal 12 an dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 offen ist, wie in den 4 und 6 gezeigt, die Bewegung oder das Rühren des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung während des Stromflusses, von der/dem man annimmt, dass sie/es von Vorteil ist, wie zuvor beschrieben.
Das Induzieren des konischen Flussmusters 60 und das Vorhandensein einer Region zurückgehaltener Wärme auf jeder Seite des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 bewirken, dass das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung in einer wünschenswerteren Weises - das heißt, von seinem äußeren Umfang in Richtung seines Zentrums - erstarrt. Dies geschieht deshalb, da sich Wärme von dem Stahlwerkstück 20 nicht länger einen starken Temperaturgradienten nach unten zu der kälteren zweiten Schweißelektrode 52 streuen kann. Stattdessen verändern das konische Flussmuster 60 und die Regionen zurückgehaltener Wärme hier die Temperaturverteilung durch die Schweißstelle 16 durch Erzeugen von dreidimensionalen radialen Temperaturgradienten innerhalb der Ebene des Stahlwerkstückes 20, die in der Ebene des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 reflektiert werden. Diese Gradienten helfen dabei, Wärme seitlich durch die Werkstücke 20, 22 hindurch zu streuen, sodass sich die Erstarrungsfront des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung von dem Umfang des Schmelzbades 68 einwärts im Gegensatz zu gerichtet in Richtung der Stoßgrenzfläche 32 bewegt. Ein derartiges Erstarrungsverhalten reißt oder treibt Schweißfehler von dem Linsenumfang weg und in Richtung des Zentrums der Schweißverbindung 70, wo sie weniger dazu neigen, die Fügestelle 68 zu schwächen und ihre strukturelle Integrität zu stören.
Die 10-11 helfen dabei, das Erstarrungsverhalten zu visualisieren, von dem man annimmt, dass es auftritt, wenn die Abdeckplatte 10 verwendet wird. In 10, wo keine Abdeckplatte vorhanden ist, die ein Eindringmerkmal 12 umfasst, erstarrt ein Schmelzbad 76 aus geschmolzener Aluminiumlegierung gerichtet von dem Punkt, welcher der kälteren Schweißelektrode 78, die gegen die äußere Oberfläche 80 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 angeordnet ist, am nächsten liegt, in Richtung der Stoßgrenzfläche 82, was demzufolge Schweißfehler in Richtung und entlang der Stoßgrenzfläche 82 treibt. Hingegen erstarrt in 11, wo eine Abdeckplatte 10 vorhanden ist, die eine höhere thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, das Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung 76 von seinem äußeren Umfang 84 in Richtung seines Zentrum, was Schweißfehler dazu treibt, sich mehr in dem Zentrum der schließlich gebildeten Schweißverbindung anzusammeln, und deren Verteilung an und entlang der Stoßgrenzfläche 82 begrenzt, was zu einer stärkeren Schweißverbindung führt.
Die 1-2 und 12-13 illustrieren eine andere Ausführungsform eines Punktschweißprozesses, in dem der Stapel 14 an der Schweißstelle 16 mithilfe der Abdeckplatte 10 punktgeschweißt wird. Die Abdeckplatte 10 weist hier einen niedrigeren thermischen und elektrischen Widerstand auf als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 und ist bevorzugt aus einer Kupferlegierung wie z. B. einer Zirkonium-Kupfer-Legierung (ZrCu) gebaut. Der in den 12-13 gezeigte Punktschweißprozess ist in vielerlei Hinsicht dem in den 8-9 gezeigten Punktschweißprozess ähnlich. Von daher wird ein Großteil der obigen Prozessbeschreibung nicht wiederholt, und nachfolgend werden nur die Hauptunterschiede in näherem Detail erörtert.
Nachdem die erste Schweißelektrode 48 mit dem Stahlwerkstück 20 an der ersten Seite 34 des Werkstückstapels 14 in Kontakt gebracht wurde und die zweite Schweißelektrode 52 mit der Abdeckplatte 10 über dem Eindringmerkmal 12 in Kontakt gebracht wurde, wie in 17 gezeigt, wird ein elektrischer Strom zwischen die Elektrodenschweißflächen 54, 56 und durch die Abdeckplatte 10 und den Werkstückstapel 14 an der Schweißstelle 16 geleitet, wie durch den Schweißplan vorgegeben. Der Durchgang des Schweißstromes bewirkt, dass sich das Stahlwerkstück 20 anfänglich schneller erwärmt als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, da es einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22. Die Abdeckplatte 10 erwärmt sich bezüglich des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 nicht in der gleichen Weise, da sie einen niedrigeren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist. Schließlich initiiert, wie zuvor, die Wärme, die von dem Widerstand gegen den Fluss des elektrischen Stromes über die Stoßgrenzfläche 32 hinweg erzeugt wird, das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22, wie in 12 gezeigt. Der fortgesetzte Durchgang des elektrischen Stromes bringt schließlich das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung zum Wachsen bis zu der erwünschten Größe, welche in der Regel in das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 bis zu einer Distanz eindringt, die in einem Bereich von etwa 20 % bis etwa 100 % der Dicke 220 des Werkstückes 22 liegt.
Der zwischen die Schweißelektroden 48, 52 geleitete elektrische Strom nimmt das oben beschriebene konische Flussmuster 60 an. Das Induzieren des konischen elektrischen Stromflussmusters 60 innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 hat zur Folge, dass Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 20 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 konzentriert wird. In dieser Ausführungsform kann der Schweißplan, falls erwünscht, sogar festgelegt sein, um ein Schmelzbad 86 aus geschmolzenem Stahl innerhalb der Grenzen des Stahlwerkstückes 20 zu initiieren und zum Wachsen zu bringen, zusätzlich dazu, dass das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 und an der Stoßgrenzfläche 32 initiiert und zum Wachsen gebracht wird, sodass das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung die Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20 benetzt. 12 illustriert das Vorhandensein des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung und des Schmelzbades 86 aus geschmolzenem Stahl. Die durch den elektrischen Strom erzeugte Wärme muss jedoch nicht immer so innerhalb des Stahlwerkstückes 20 konzentriert werden, dass das Schmelzbad 86 aus geschmolzenem Stahl initiiert und zum Wachsen gebracht wird.
Nach Beendigen des elektrischen Stromflusses erstarrt das Schmelzbad 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung, um die Schweißverbindung 70 zu bilden, welche das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück 20, 22 an der Stoßgrenzfläche 32 aneinander bindet, wie in 13 gezeigt. Gleichermaßen erstarrt zu diesem Zeitpunkt das Schmelzbad 86 aus geschmolzenem Stahl, falls gebildet, zu einer Stahlschweißlinse 88 innerhalb des Stahlwerkstückes 20, wenngleich es sich bevorzugt nicht bis zu entweder der Stoßfläche 24 oder der äußeren Oberfläche 26 des Werkstückes 20 erstreckt. Die Schweißverbindung 70 umfasst die Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 72 und in der Regel die eine oder mehreren Reaktionsschichten 74 der intermetallischen Fe-Al-Verbindungen, wie zuvor beschrieben. Hier dringt die Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 72, wie in 13 gezeigt, bis zu einer Distanz ein, die bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 % bis 100 % der Dicke 220 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 liegt. Die eine oder mehreren Reaktionsschicht/en 74 aus intermetallischen Fe-Al-Verbindungen, falls vorhanden, ist/sind üblicherweise in zumindest dem Abschnitt der Schweißverbindung 70 unter der Stelle, wo das Eindringmerkmal 12 vorhanden war, 1 µm bis 3 µm dick, wenngleich sie in einigen Fällen dicker als dieses sein kann/können, da in dem Stahlwerkstück 20 mehr Wärme erzeugt wird als in der Abdeckplatte 10.
Man nimmt an, dass die Verwendung der Kupferplatte 10 in dieser Ausführungsform die Festigkeit und Integrität der Schweißverbindung 70 durch Induzieren des konischen elektrischen Stromflussmusters 60 in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 verbessert. Wie bereits erklärt, konzentriert das Induzieren des konischen elektrischen Stromflussmusters 60 Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 20 an der Schweißstelle 16 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, was die Temperaturverteilung durch die Schweißstelle 16 durch Erzeugen von dreidimensionalen radialen Temperaturgradienten innerhalb der Ebene des Stahlwerkstückes 20, die in der Ebene des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 reflektiert werden, verändert. Diese Gradienten helfen dabei, Wärme seitlich durch die Werkstücke 20, 22 hindurch zu streuen, sodass sich die Erstarrungsfront des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung von dem Umfang des Schmelzbades 68 einwärts im Gegensatz zu gerichtet in Richtung der Stoßgrenzfläche 32 bewegt, wie oben beschrieben. Wenn überdies die Abdeckplatte 10 in direktem Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 angeordnet ist und das Eindringmerkmal 12 an dem Alumiumlegierungs-Werkstück 22 offen ist, wie z. B. in den 4 und 6 gezeigt, gestattet das Eindringmerkmal 12 die Bewegung oder das Rühren des Schmelzbades aus geschmolzener Aluminiumlegierung während des Stromflusses, von der/dem man annimmt, dass sie/es von Vorteil ist, wie zuvor beschrieben.
Außerdem neigt in Fällen, in denen das Schmelzbad 86 aus geschmolzenem Stahl initiiert wird, die Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20 dazu, sich von der äußeren Oberfläche 26 weg zu verziehen. Dieses Verziehen kann bewirken, dass sich das Stahlwerkstück 20 an der Schweißstelle 16 um bis zu 50 % verdickt. Das Vergrößern der Dicke 200 des Stahlwerkstückes 20 in dieser Weise hilft dabei, eine erhöhte Temperatur an dem Zentrum des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung aufrechtzuerhalten - wodurch zugelassen wird, dass es zuletzt abkühlt und erstarrt - was ferner radiale Temperaturgradienten erhöhen und Schweißfehler in Richtung des Zentrums der Schweißverbindung 70 treiben kann. Die Verdickung der Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20 kann auch die Bildung der einen oder mehreren Reaktionsschichten 74 aus intermetallischen Fe-Al-Verbindungen behindern oder unterbrechen, welche dazu neigt/en, sich an der Grenzfläche des Schmelzbades 68 aus geschmolzener Aluminiumlegierung und der Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20 zu bilden. Überdies kann, sobald die Schweißverbindung 70 in Gebrauch ist, die Verdickung der Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20 eine Rissfortpflanzung um die Schweißverbindung 70 herum durch Ablenken von Rissen entlang eines nicht bevorzugten Weges behindern.
Die oben beschriebenen und in den 1-13 gezeigten Ausführungsformen zielen auf Fälle ab, in denen der Werkstückstapel 14 ein Stahlwerkstück 20, das eine äußere Oberfläche 26 umfasst, welche die erste Seite 34 des Stapels 14 bereitstellt und darstellt, und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 umfasst, das benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 liegt und eine äußere Oberfläche 30 umfasst, welche eine entgegengesetzte zweite Seite 36 des Stapels 14 bereitstellt und darstellt. In anderen Fällen kann ein Werkstückstapel jedoch ein zusätzliches Stahlwerkstück oder ein zusätzliches Aluminiumlegierungs-Werkstück - zusätzlich zu den benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücken 20, 22 - umfassen, solange das Aluminiumlegierungs-Werkstück eine Seite des Werkstückstapels 14 bereitstellt und darstellt und das Stahlwerkstück die entgegengesetzte andere Seite des Stapels 14 bereitstellt und darstellt. Wenn die Abdeckplatte 10 mit Stapeln aus drei Werkstücken dieser Variante verwendet wird, funktioniert sie allgemein in der gleichen Weise und hat die gleiche allgemeine Wirkung auf die Schweißverbindung, die zwischen den benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücken gebildet wird, wie zuvor beschrieben.
Wie in 14 gezeigt, kann der Werkstückstapel 14 z. B. die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 20, 22, wie oben beschrieben, zusätzlich zu einem weiteren Stahlwerkstück 90 umfassen. Wie gezeigt überlappt hier das zusätzliche Stahlwerkstück 90 die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 20, 22 und ist neben dem Stahlwerkstück 20 positioniert. Wenn das zusätzliche Stahlwerkstück 90 so positioniert ist, stellt die äußere Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 die zweite Seite 36 des Werkstückstapels 14 bereit und dar, wie zuvor, während das Stahlwerkstück 20, das benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 liegt, nun ein Paar entgegengesetzter Stoßflächen 24, 92 umfasst. Die Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20, die der benachbarten Stoßfläche 28 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22 gegenüber und mit dieser in Kontakt steht, stellt die Stoßgrenzfläche 32 zwischen den beiden Werkstücken 20, 22 her. Die Stoßfläche 92 des Stahlwerkstückes 20, die in die entgegengesetzte Richtung weist, steht einer Stoßfläche 94 des zusätzlichen Stahlwerkstückes 90 gegenüber und stellt einen überlappenden Kontakt mit dieser her. In dieser speziellen Anordnung von überlappten Werkstücken 20, 22, 92 stellt eine äußere Oberfläche 96 des zusätzlichen Stahlwerkstückes 90 als solche nun die erste Seite 34 des Werkstückstapels 14 bereit und dar.
In einem anderen Beispiel, das in 15 gezeigt ist, kann der Werkstückstapel 14 die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 20, 22, die oben beschrieben sind, zusätzlich zu einem weiteren Aluminiumlegierungs-Werkstück 98 umfassen. Wie gezeigt, überlappt hier das zusätzliche Aluminiumlegierungs-Werkstück 98 die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 20, 22 und ist neben dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 positioniert. Wenn das zusätzliche weiteren Aluminiumlegierungs-Werkstück 98 so positioniert ist, stellt die äußere Oberfläche 26 des Stahlwerkstückes 20 die erste Seite 34 des Werkstückstapels 14 bereit und dar, wie zuvor, während das Aluminiumlegierungs-Werkstück 22, das benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 liegt, nun ein Paar entgegengesetzter Stoßflächen 28, 100 umfasst. Die Stoßfläche 28 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22, die der benachbarten Stoßfläche 24 des Stahlwerkstückes 20 gegenüber und mit dieser in Kontakt steht, stellt die Stoßgrenzfläche 32 zwischen den beiden Werkstücken 20, 22 her. Die Stoßfläche 100 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 20, die in die entgegengesetzte Richtung weist, steht einer Stoßfläche 102 des zusätzlichen Aluminiumlegierungs-Werkstückes 98 gegenüber und stellt einen überlappenden Kontakt mit dieser her. In dieser speziellen Anordnung von überlappten Werkstücken 20, 22, 98 stellt eine äußere Oberfläche 104 des zusätzlichen Aluminiumlegierungs-Werkstückes 98 als solche nun die zweite Seite 36 des Werkstückstapels 14 bereit und dar.
Die Abdeckplatte 10 kann verwendet werden, um dabei zu helfen, die in jeder der 14 und 15 gezeigten Werkstückstapel 14 punktzuschweißen und die Festigkeit einer Schweißverbindung zu erhöhen, die zwischen den innerhalb der Stapel 14 enthaltenen benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücken 20, 22 gebildet ist, in der gleichen allgemeinen Weise wie zuvor gebildet ist. Die Abdeckplatte 10 ist insbesondere benachbart zu der zweiten Seite 36 des Werkstückstapels 14 angeordnet und liegt bevorzugt in direktem Kontakt gegen dieselbe, welche die äußere Oberfläche 30 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22, die benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 liegt (14), oder die äußere Oberfläche 104 des zusätzlichen Aluminiumlegierungs-Werkstückes 98 (15) sein kann. Die Abdeckplatte 10 ist so angeordnet, dass das Eindringmerkmal 12 an der Schweißstelle 16 vorhanden ist. Die Abdeckplatte 10 kann außerdem einen thermischen und elektrischen Widerstand aufweisen, die höher oder niedriger sind als der thermische und elektrische Widerstand des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22, das zu dem Stahlwerkstück 20 benachbart liegt.
Nachdem die Abdeckplatte 10 korrekt angeordnet wurde, wird die Schweißfläche 54 der ersten Schweißelektrode 48 gegen die erste Seite 34 des Werkstückstapels 14 gepresst, welche die äußere Oberfläche 26 des Stahlwerkstückes 20, die benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 22 liegt (15), oder die äußere Oberfläche 96 des zusätzlichen Stahlwerkstückes 90 (14) sein kann, und die Schweißfläche 56 der zweiten Schweißelektrode 52 wird gegen die äußere Oberfläche 40 der Abdeckplatte 10 über dem Eindringmerkmal 12 gepresst. Dann wird ein elektrischer Strom zwischen den axial und flächig ausgerichteten Schweißflächen 54, 56 der Schweißelektroden 48, 52 ausgetauscht, um eine Schweißverbindung zu bilden, welche die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 20, 22 aneinander bindet, wie oben beschrieben. Die Abdeckplatte 10 induziert wie zuvor das konische elektrische Stromflussmuster innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 22, welches benachbart zu dem Stahlwerkstück 20 liegt, um dabei zu helfen, dass das darin durch den elektrischen Strom erzeugte Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung in einer wünschenswerteren Weise zu der Schweißverbindung erstarrt. Die Abdeckplatte 10 kann auch verwendet werden, um Wärme an der zweiten Seite 36 des Werkstückstapels 14 zu erzeugen und zurückzuhalten.

Claims

Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels (14), der ein Stahlwerkstück (20) und ein benachbartes Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel (14) vorgesehen wird, welcher ein Stahlwerkstück (20) und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) umfasst, welches das Stahlwerkstück (20) überlappt und zu diesem benachbart liegt, um eine Stoßgrenzfläche (32) an einer Schweißstelle (16) herzustellen, wobei der Werkstückstapel (14) eine erste Seite (34) und eine zweite Seite (36) aufweist, wobei die erste Seite (34) des Werkstückstapel (14) nahe dem Stahlwerkstück (20) liegt und die zweite Seite (36) des Werkstückstapels (14) nahe dem Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) liegt; eine Abdeckplatte (10) benachbart zu der zweiten Seite (36) des Werkstückstapels (14) angeordnet wird, wobei die Abdeckplatte (10) eine innere Oberfläche (38), die der zweiten Seite (36) des Werkstückstapels (14) gegenübersteht, und eine äußere Oberfläche (40) aufweist, die in die entgegengesetzte Richtung von der inneren Oberfläche (38) weist, wobei die Abdeckplatte (10) ferner ein Eindringmerkmal (12) umfasst, das mit der Schweißstelle (16) ausgerichtet ist, wobei das Eindringmerkmal (12) entweder eine Durchgangsbohrung (62), welche sich vollständig durch die Abdeckplatte (10) von der inneren Oberfläche (38) der Abdeckplatte (10) zu der äußeren Oberfläche (40) der Abdeckplatte (10) hindurch erstreckt, oder eine Vertiefung (64, 66) ist, welche die Dicke der Abdeckplatte (10) teilweise durchquert; eine erste Schweißfläche (54) einer ersten Schweißelektrode (48) gegen die erste Seite (34) des Werkstückstapels (14) gepresst wird und eine zweite Schweißfläche (56) einer zweiten Schweißelektrode (52) gegen die äußere Oberfläche (40) der Abdeckplatte (10) über dem Eindringmerkmal (12) gepresst wird, wobei die erste und die zweite Schweißfläche (54, 56) der ersten und der zweiten Schweißelektrode (48, 52) an der Schweißstelle (16) flächig ausgerichtet sind; und ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode (48, 52) und durch den Werkstückstapel (14) an der Schweißstelle (16) hindurch geleitet wird, um ein Schmelzbad (68) aus geschmolzener Aluminiumlegierung innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes (22) zu erzeugen, wobei das Schmelzbad (68) aus geschmolzener Aluminiumlegierung eine benachbarte Stoßfläche (24) des Stahlwerkstückes (20) benetzt, und wobei das Schmelzbad (68) aus geschmolzener Aluminiumlegierung zu einer Schweißverbindung (70) erstarrt, welche die benachbarten Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke (20, 22) an deren Stoßgrenzfläche (32) nach Beendigen des Leitens des elektrischen Stromes durch den Werkstückstapel (14) aneinander bindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stahlwerkstück (20) eine äußere Oberfläche (26) aufweist, welche die erste Seite (34) des Werkstückstapels (14) bereitstellt und darstellt, und das Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) eine äußere Oberfläche (30) aufweist, welche die zweite Seite (36) des Werkstückstapels (14) bereitstellt und darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkstückstapel (14) ferner ein zusätzliches Stahlwerkstück (90) umfasst, welches das Stahlwerkstück (20) überlappt und neben diesem positioniert ist, das benachbart zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) liegt, und wobei das zusätzliche Stahlwerkstück (90) eine äußere Oberfläche (96) aufweist, welche die erste Seite (34) des Werkstückstapels (14) bereitstellt und darstellt, und das Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) eine äußere Oberfläche (30) aufweist, welche die zweite Seite (36) des Werkstückstapels (14) bereitstellt und darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkstückstapel (14) ferner ein zusätzliches Aluminiumlegierungs-Werkstück (98) umfasst, welches das Aluminiumlegierungs-Werkstück (22) überlappt und neben diesem positioniert ist, das benachbart zu dem Stahlwerkstück (20) liegt, und wobei das Stahlwerkstück (20) eine äußere Oberfläche (26) aufweist, welche die erste Seite (34) des Werkstückstapels (14) bereitstellt und darstellt und das zusätzliche Aluminiumlegierungs-Werkstück (98) eine äußere Oberfläche (104) aufweist, welche die zweite Seite (36) des Werkstückstapels (14) bereitstellt und darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abdeckplatte (10) aus einem Material gebaut ist, das einen thermischen Widerstand und einen elektrischen Widerstand aufweist, die größer sind als ein thermischer Widerstand oder ein elektrischer Widerstand des Aluminiumlegierungs-Werkstückes (22), das benachbart zu dem Stahlwerkstück (20) liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abdeckplatte (10) aus Molybdän, Edelstahl oder einer Wolfram-Kupfer-Legierung gebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abdeckplatte (10) aus einem Material gebaut ist, das einen thermischen Widerstand und einen elektrischen Widerstand aufweist, die kleiner sind als ein thermischer Widerstand oder ein elektrischer Widerstand des Aluminiumlegierungs-Werkstückes (22), das benachbart zu dem Stahlwerkstück (20) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Leiten von elektrischem Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode (48, 52) ferner umfasst, dass: ein Schmelzbad (86) aus geschmolzenem Stahl innerhalb des Stahlwerkstückes (20) erzeugt wird, das benachbart zu dem AluminiumlegierungsWerkstück (22) liegt, wobei das Schmelzbad (86) aus geschmolzenem Stahl bewirkt, dass eine Dicke des Stahlwerkstückes (20) in Richtung des benachbarten Aluminiumlegierungs Werkstückes (22) um bis zu 50 % an der Schweißstelle (16) zunimmt, und wobei das Schmelzbad (86) aus geschmolzenem Stahl nach Beendigen des Leitens des elektrischen Stromes durch den Werkstückstapel (14) zu einer Stahlschweißlinse erstarrt.