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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Verbessern der Schweißnahtfestigkeit.
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HINTERGRUND
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Das Schweißen von Aluminium an Stahl wird in der Automobilindustrie ausgiebig eingesetzt, um das Gewicht von Automobilen zu reduzieren. Eine der größten Herausforderungen beim Widerstandsschweißen von Aluminium an Stahl ist die Ausbildung von Schweißnahtunstimmigkeiten und intermetallischen Verbindungen an den Stoßgrenzflächen. Aufgrund des hohen Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen Werkstücken und den Elektroden zerstreut sich die Wärme schnell durch die Elektroden hindurch. Diese Wärmeableitung führt zu den Schweißnahtunstimmigkeiten entlang der Stoßgrenzflächen. Schweißnahtunstimmigkeiten und intermetallische Verbindungen begrenzen die Schweißnaht-Abschälfestigkeit.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Technologie bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Verbessern der Schweißnahtfestigkeit. Die Systeme und Verfahren verbessern die Festigkeiten von widerstandspunktgeschweißtem Aluminium an Stahl. Außerdem sind die Systeme und Verfahren auf andere Materialien und Schweißtechniken anwendbar.
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Ein exemplarisches Verfahren umfasst, dass eine erste Tasche in einer ersten Materialbahn und eine zweite Tasche in einer zweiten Materialbahn gebildet werden, die erste Tasche und die zweite Tasche an einer nicht linearen Grenzfläche zusammengepresst werden und das Material der ersten Tasche und der zweiten Tasche an der Grenzfläche geschweißt wird.
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Die erste Tasche und die zweite Tasche werden zwischen einem ersten Werkzeugelement und einem zweiten Werkzeugelement gepresst. Das erste Werkzeugelement umfasst eine konvexe Werkzeugoberfläche und das zweite Werkzeugelement umfasst eine konkave Werkzeugoberfläche. Das Material wird mit zumindest einem von dem ersten Werkzeugelement und dem zweiten Werkzeugelement geschmolzen und erstarrt dann, um eine Fügestelle an der nicht linearen Grenzfläche zu bilden.
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Unter einer gegebenen Fernbelastung induziert die geschweißte Tasche eine lokale Mischmodusbelastung.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 illustriert schematisch ein Schweißsystem gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung.
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2 illustriert schematisch Werkstücke und die Werkzeuge des Schweißsystems von 1.
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3 illustriert schematisch ein Steuerungssystem des Schweißsystems von 1.
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4 ist ein Blockdiagramm eines Punktschweißverfahrens gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung.
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5–7 illustrieren schematisch das Punktschweißverfahren von 4.
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8 ist ein Blockdiagramm eines Nahtschweißverfahrens gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung.
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9–10 illustrieren schematisch das Nahtschweißverfahren von 8.
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11–12 illustrieren schematisch das Ultraschallschweißverfahren von 13.
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13 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallschweißverfahrens gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung.
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14 illustriert schematisch eine Fügestelle unter Scherbelastung.
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15 illustriert schematisch eine Fügestelle unter Abschälbelastung.
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Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Elemente können übertrieben oder stark verkleinert sein, um z. B. Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die vorliegende Offenbarung unklar wird. Aus diesem Grund sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend, sondern rein als eine Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis zu betrachten, Fachleute darüber zu unterrichten, die vorliegende Offenbarung in verschiedener Weise zu verwenden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Je nach Anforderung sind hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon ausgeführt sein können. Wie hierin verwendet, beziehen sich z. B. „exemplarisch” und ähnliche Ausdrücke weitgehend auf Ausführungsformen, die als ein/e Illustration, Probeexemplar, Modell oder Muster dienen.
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Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren sind ausgestaltet, um Werkstücke zu fügen. Wenngleich die hierin beschriebenen Verfahren das Widerstandsschweißen, das Nahtschweißen und das Ultraschallschweißen umfassen. Allerdings können die Lehren hierin auf andere Fügeprozesse wie z. B. mittels Laser, Bogen und dergleichen angewendet werden.
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Exemplarische Werkstücke umfassen Bleche, andere Materialbahnen, Stifte, Vorsprünge, Aufhänger für elektrische Drähte, Wärmetauscherrippen und Rohrleitungen. Zu Lehrzwecken sind Verfahren zum Fügen von zwei Materialbahnen beschrieben. Allerdings können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um mehr als zwei Materialbahnen oder mehr als zwei Werkstücke zu fügen. Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise auf das Fügen mehrerer Werkstücke (z. B. mehr als zwei Werkstücke) in einem Stapel angewendet werden.
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Zu Lehrzwecken ist Bezug nehmend auf die 1 und 2 ein erstes Werkstück 10 eine erste Materialbahn und ein zweites Werkstück 12 ist eine zweite Materialbahn. Das erste Werkstück 10 umfasst eine erste Tasche 20 und das zweite Werkstück umfasst eine zweite Tasche 22. Eine Tasche wird mithilfe der nachstehend in näherem Detail beschriebenen Werkzeuge vorgeformt oder gebildet. Eine Tasche ist eine Vertiefung, die in einem Werkstück gebildet ist, um eine konkave Oberfläche und eine konvexe Oberfläche zu umfassen. Eine Tasche kann z. B. eine Kerbe, eine Nut und dergleichen sein.
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Die erste Tasche 20 umfasst eine erste konkave Oberfläche 30 und eine erste konvexe Oberfläche 32. Die zweite Tasche 22 umfasst eine zweite konkave Oberfläche 40 und eine zweite konvexe Oberfläche 42. Die konkaven und konvexen Oberflächen jeder Tasche sind entgegengesetzte Oberflächen. Die entgegengesetzten Oberflächen können z. B. als eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche bezeichnet werden.
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Die erste Tasche 20 ist in der zweiten Tasche 22 verschachtelt, sodass die erste konvexe Oberfläche 32 mit der zweiten konkaven Oberfläche 40 im Wesentlichen in Kontakt steht. Die erste konvexe Oberfläche 32 und die zweite konkave Oberfläche 40 definieren eine Grenzfläche 50 (siehe z. B. die 14 und 15) zwischen der ersten Tasche 20 und der zweiten Tasche 22.
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Die Verfahren hierin können vorteilhafterweise angewendet werden, um Materialien zu fügen, die spröder Materialeigenschaften aufweisen (z. B. geschweißte hochfeste Stähle, geschweißtes Aluminium/Stahl, gefügte polymere Materialien). Die Verfahren können auch auf andere Materialien angewendet werden, um die Festigkeit einer Fügestelle zu verbessern.
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Fortsetzend mit 1 ist ein Schweißsystem 60 ausgestaltet, um die hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das Schweißsystem 60 eine Schweißpresse 62, die ausgestaltet ist, um die Werkstücke 10, 12 zwischen den Werkzeugen 100 zusammenzupressen, wie nachstehend in näherem Detail beschrieben.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst die Schweißpresse 62 ein pneumatisches System 64 oder ein Servosystem, das ausgestaltet ist, um die Werkzeuge 100 zu bewegen, um die Werkstücke 10, 12 zusammenzupressen. Die Schweißpresse 62 ist ausgestaltet, um durch ein Steuerungssystem 66 gesteuert zu werden.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das Schweißsystem 60 unter vorübergehender Bezugnahme auf 6, wo die Werkzeuge 100 Elektroden umfassen, eine Leistungsversorgung 70, die ausgestaltet ist, um Leistung zu liefern, um einen Strom, durch die Elektroden hindurch zu erzeugen. Das Steuerungssystem 66 ist ausgestaltet, um die Leistungsversorgung 70 zu steuern.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das System unter erneuter Bezugnahme auf 1, wo die Werkzeuge ein Horn und einen Amboss umfassen, einen Wandler 72 und Verstärker 74, 76, die ausgestaltet sind, um eine Hochfrequenzschwingung zu erzeugen, welche durch das Horn angewendet wird. Das Steuerungssystem 66 ist ausgestaltet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen und an den Wandler 72 zu senden. Der Wandler 72 ist ausgestaltet, um das elektrische Signal in eine mechanische Schwingung umzuwandeln, und die Verstärker 74, 76 sind ausgestaltet, um die mechanische Schwingung zu verstärken.
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Bezug nehmend auf 3 umfasst das Steuerungssystem 66 einen Prozessor 80 zum Steuern und/oder Verarbeiten von Daten, Eingangs/Ausgangsdatenkanäle 82 und einen Speicher 84.
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Der Prozessor könnte aus mehreren Prozessoren bestehen, die verteilte Prozessoren oder parallele Prozessoren in einer einzigen Maschine oder mehreren Maschinen umfassen könnten. Der Prozessor könnte (einen) virtuelle(n) Prozessor(en) umfassen. Der Prozessor könnte eine Zustandsmaschine, eine anwenderspezifisch-integrierte Schaltung (ASIC), ein programmierbares Gatterfeld (PGA) einschließlich eines/r Feld-PGA oder -Zustandsmaschine umfassen. Wenn ein Prozessor Anweisungen ausführt, um „Operationen” durchzuführen, könnte dies umfassen, dass der Prozessor die Operationen direkt durchführt und/oder erleichtert, leitet oder mit einer anderen Vorrichtung oder Komponente zusammenarbeitet, um die Operationen durchzuführen.
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Das Steuerungssystem 66 kann eine Vielfalt computerlesbarer Medien einschließlich flüchtiger Medien, nicht-flüchtiger Medien, entfernbarer Medien und nicht entfernbarer Medien umfassen. Der Begriff „computerlesbare Medien” und Varianten davon, wie in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen verwendet, umfasst Speichermedien. Speichermedien umfassen flüchtige und/oder nicht-flüchtige, entfernbare und/oder nicht entfernbare Medien wie beispielsweise RAM, ROM; EEPROM, Flash-Speicher oder eine andere Speichertechnologie, CDROM, DVD oder eine andere optische Plattenspeicherung, Magnetband-, Magnetplattenspeicherung oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder jedes beliebige andere Medium, welches ausgestaltet ist, um verwendet zu werden, um Informationen zu speichern, auf die durch die Steuerungseinheit 66 zugegriffen werden kann.
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Während der Speicher 84 als sich nahe dem Prozessor 80 befindend illustriert ist, sollte verständlich sein, dass zumindest ein Abschnitt des Speichers ein entfernt zugängliches Speichersystem wie z. B. ein Server in einem Kommunikationsnetzwerk, ein entferntes Festplattenlaufwerk, ein entfernbares Speichermedium, Kombinationen davon und dergleichen sein kann. Somit können alle der unten beschriebenen Daten, Anwendungen und/oder Software innerhalb des Speichers gespeichert und/oder über Netzwerkverbindungen für andere Datenverarbeitungssysteme (nicht gezeigt) zugänglich sein, die z. B. ein lokales Netzwerk (LAN), ein regionales Netz (MAN) oder ein Weitverkehrsnetz (WAN) umfassen können.
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Der Speicher 84 umfasst verschiedene Kategorien von Software und Daten, die in dem Steuerungssystem 66 verwendet werden, einschließlich Anwendungen 90, einer Datenbank 92, eines Betriebssystems 94 und Eingangs/Ausgangsvorrichtungstreiber 96.
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Wie Fachleute einsehen werden, kann das Betriebssystem 94 jedes beliebige Betriebssystem zur Verwendung mit einem Datenverarbeitungssystem sein. Die und Eingangs/Ausgangsvorrichtungstreiber 96 können verschiedene Routinen, auf die durch das Betriebssystem 94 mithilfe der Anwendungen zugegriffen wird, um mit den Vorrichtungen zu kommunizieren, und bestimmte Speicherkomponenten umfassen. Die Anwendungen 90 können in dem Speicher 84 und/oder einer Firmware (nicht gezeigt) als ausführbare Anweisungen gespeichert sein und können durch den Prozessor 80 ausgeführt werden.
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Die Anwendungen 90 umfassen verschiedene Programme, die, wenn sie durch den Prozessor 80 ausgeführt werden, die verschiedenen Merkmale der Steuerungssystems 66 implementieren. Die Anwendungen 90 umfassen Anwendungen zum Durchführen der hierin beschriebenen Verfahren. Die Anwendungen 90 sind in dem Speicher 84 gespeichert und sind ausgestaltet, um durch den Prozessor 80 ausgeführt zu werden.
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Die Anwendungen 90 können Daten verwenden, die in der Datenbank 92 gespeichert sind, wie z. B. jene, die über die Eingangs/Ausgangsdatenkanäle 82 empfangen werden. Die Datenbank 92 umfasst statische und/oder dynamische Daten, die von den Anwendungen 90, dem Betriebssystem 94, den Eingangs/Ausgangsvorrichtungstreibern 96 und anderen Softwareprogrammen verwendet werden, die sich in dem Speicher 84 befinden können.
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Es sollte verständlich sein, dass 3 und die obige Beschreibung eine kurze, allgemeine Beschreibung einer geeigneten Umgebung bereitstellen sollen, in der die verschiedenen Aspekte einiger Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung implementiert werden können. Die Ausdrucksweise „computerlesbares Medium” „computerlesbare Speichervorrichtung” und Varianten davon, wie in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen verwendet, kann Speichermedien umfassen. Speichermedien können flüchtige und/oder nicht-flüchtige, entfernbare und/oder nicht entfernbare Medien wie beispielsweise RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder eine andere Speichertechnologie, CDROM, DVD oder eine andere optische Plattenspeicherung, Magnetband-, Magnetplattenspeicherung oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder jedes beliebige andere Medium ohne sich ausbreitende Signale umfassen, das verwendet werden kann, um Informationen zu speichern, auf die durch die in 3 gezeigte Vorrichtung zugegriffen werden kann.
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Während die Beschreibung einen allgemeinen Kontext computerausführbare Anweisungen umfasst, kann die vorliegende Offenbarung auch in Kombination mit anderen Programmmodulen und/oder als eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Der Begriff „Anwendung” oder Varianten davon wird hierin weitreichend so verwendet, dass er Routinen, Programmmodule, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen umfasst. Anwendungen können in verschiedenen Systemkonfigurationen einschließlich Einzelprozessor- oder Mehrprozessorsystemen, Minicomputern, Großrechnern, Personal-Computern, tragbaren Rechenvorrichtungen, mikroprozessorbasierter, programmierbarer Unterhaltungselektronik, Kombinationen davon und dergleichen implementiert werden.
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Fortsetzend mit den 1 und 2 umfassen die Werkzeuge 100 ein erstes Werkzeugelement 110 und ein zweites Werkzeugelement 112. Das erste Werkzeugelement 110 und das zweite Werkzeugelement 112 weisen eine komplementäre Geometrie auf. Beispielsweise sind die Formen der Oberflächen komplementär oder die Querschnitte der Oberflächen sind komplementär.
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Das erste Werkzeugelement 110 umfasst eine nach außen vorstehende konvexe Geometrie und das zweite Werkzeugelement 112 umfasst eine nach innen ausgehöhlte konvexe Geometrie. Das erste Werkzeugelement 110 umfasst eine konvexe Werkzeugoberfläche 120 und das zweite Werkzeugelement 112 umfasst eine konkave Werkzeugoberfläche 122. Im Fall des Punktschweißens ist das erste Werkzeugelement 110 eine sondenförmige Elektrode mit einer konvexen Werkzeugoberfläche 120, die halbkugelförmig ist; und das zweite Werkzeugelement 112 ist eine schalenförmige Elektrode mit einer konkaven Werkzeugoberfläche 122, die eine Halbkugel ist.
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In ähnlicher Weise ist im Fall des Nahtschweißens das erste Werkzeugelement 110 ein Rad, das eine konvexe Werkzeugoberfläche 120 umfasst (z. B. rund), und das zweite Werkzeugelement 112 ist ein Rad mit einer Wanne oder einem Kanal mit einer konkaven Werkzeugoberfläche 122 (z. B. abgerundet oder halbzylindrisch).
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Das erste Werkzeugelement 110 und das zweite Werkzeugelement 112 können verschiedene andere komplementäre Geometrien aufweisen, um das Aneinanderschweißen der Werkstücke 10, 12 an der Grenzfläche 50 zu erleichtern, wie nachstehend in näherem Detail beschrieben ist. Die Geometrie kann z. B. würfelförmig, pyramidenförmig und dergleichen sein. Der Querschnitt kann Teil einer Eiform, eines Quadrats, eines Dreiecks, einer Parabel und dergleichen sein.
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Das erste Werkzeugelement 110 und das zweite Werkzeugelement 112 sind ausgestaltet, um zusammenzukommen, um eine Kraft anzuwenden, und die Geometrie des ersten Werkzeugelements 110 und des zweiten Werkzeugelements 112 entspricht der Geometrie der ersten Tasche 20 und der zweiten Tasche 22. Insbesondere ist das erste Werkzeugelement 110 ausgestaltet, um in der ersten Tasche 20 aufgenommen zu werden, sodass die konvexe Werkzeugoberfläche 120 eine Kraft auf die erste konkave Oberfläche 30 anwendet; und das zweite Werkzeugelement 112 ist ausgestaltet, um die zweite Tasche 22 aufzunehmen, sodass die konkave Werkzeugoberfläche 122 eine Kraft auf die zweite konvexe Oberfläche 42 anwendet.
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Das erste Werkzeugelement 110 und das zweite Werkzeugelement 112 pressen das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 an der Grenzfläche 50 zusammen, wo eine Schweißnaht erzeugt werden soll. Insbesondere pressen das erste Werkzeugelement 110 und das zweite Werkzeugelement 112 die erste konvexe Oberfläche 32 der ersten Tasche 20 gegen die zweite konkave Oberfläche 40 der zweiten Tasche 22.
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Das erste Werkzeugelement 110 und das zweite Werkzeugelement 112 sind ferner ausgestaltet, um Wärme an der Grenzfläche 50 zu erzeugen, um eine Schweißnaht an der Grenzfläche 50 zu schaffen, wie nachstehend in näherem Detail beschrieben ist. Da die Grenzfläche 50 nicht linear ist, erzeugt die Schweißnaht eine Mischmodusbelastung, welche die Festigkeiten der Fügestelle (z. B. die Überlappungs-, Abschäl-, Querspannungsfestigkeiten) verbessert. Die Schweißnaht kann entlang eines Teiles der Grenzfläche (z. B. eine Kreisring- oder Ring-Schweißnaht) oder entlang der gesamten Grenzfläche erzeugt werden.
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In Übereinstimmung mit elektrischen Widerstandsschweißverfahren 200, 300 wird ein elektrisches Widerstandsschweißen verwendet, um das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 zu fügen. Das elektrische Widerstandsschweißen umfasst Schweißverfahren wie Punktschweißen, Nahtschweißen und Hochfrequenzschweißen. Das elektrische Widerstandsschweißen verbindet Stoß-(z. B. überlappende, in Kontakt stehende)-Oberflächen 32, 40 (d. h. die Grenzfläche 50) der Werkstücke 10, 12.
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Zu Lehrzwecken ist jedes von dem ersten Werkzeugelement 110 und dem zweiten Werkzeugelement 112 eine Kupferelektrode (die Werkzeuge sind z. B. Formelektrodenwerkzeuge); und jedes von dem ersten Werkstück 10 und dem zweiten Werkstück 12 ist ein Metallblech. Beispielsweise ist das erste Metallblech 10 Aluminium und das zweite Metallblech 12 ist ultrafester Stahl.
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Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 sind ausgestaltet, um zusammenzukommen, um das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 zusammenzuklemmen; und um die erste Tasche 20 in dem ersten Metallblech 10 und die zweite Tasche 22 in dem zweiten Metallblech 12 zu bilden.
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Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 sind ferner ausgestaltet, um einen Schweißstrom durch das eingeklemmte erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 hindurch zu leiten. Aufgrund des elektrischen Widerstandes des ersten Metallblechs 10 und des zweiten Metallblechs 12 erzeugt der Strom eine Schweißnaht an der Grenzfläche 50, wie nachstehend in näherem Detail beschrieben ist. Da sich die Schweißnaht entlang der nicht linearen Grenzfläche 50 befindet, ist die lokale Belastung unter einer gegebenen Fernbelastung (siehe die 14 und 15) eine Mischmodusbelastung (z. B. Abschäl-Scherbelastung).
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Bezug nehmend auf die 4 und 5 werden gemäß einem ersten Block 210 des Punktschweißverfahrens 200 das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 an einer erwünschten Schweißstelle überlappt und zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 positioniert.
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Bezug nehmend auf die 4-6 werden gemäß einem zweiten Block 220 die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 zusammengebracht. Die konvexe Werkzeugoberfläche 120 der ersten Elektrode 110 presst das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 in die konkave Werkzeugoberfläche 122 der zweiten Elektrode 112 hinein, um dadurch die erste Tasche 20 und die zweite Tasche 22 zu bilden. Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 wenden weiterhin eine Kraft an, um einen Kontakt zwischen der ersten Elektrode 110, der ersten Tasche 20, der zweiten Tasche 22 und der zweiten Elektrode 112 aufrechtzuerhalten. Insbesondere stehen die erste Tasche 20 und die zweite Tasche 22 an der Grenzfläche 50 in Kontakt.
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Bezug nehmend auf die 4 und 6 erzeugen gemäß einem drittem Block 230 die Werkzeuge 100 einen Strom, der zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 fließt und dabei durch das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 hindurch fließt. Der elektrische Strom liegt z. B. im Bereich von 1–100000 Ampere. Der verwendete Strom ist eine Berechnung auf der Basis der Stärke oder Dicke des ersten Metallblechs 10 und des zweiten Metallblechs 12. Das Widerstandspunktschweißen verwendet in der Regel elektrische Leistung in der Form eines Gleichstromes, Wechselstromes, eines Mittelfrequenz-Halbwellen-Gleichstromes oder eines Hochfrequenz-Halbwellen-Gleichstromes.
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Bezug nehmend auf die 4 und 7 erzeugt gemäß einem vierten Block 240 der Strom durch das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 Wärme an der Grenzfläche 50 (d. h., wo die Werkstücke 10, 12 einander überlappen). Der elektrische Widerstand des erste Metallblechs 10 und des zweiten Metallblechs 12 bewirkt, dass sich Wärme aufbaut. Die ansteigende Temperatur bewirkt einen ansteigenden Widerstand und hat Schmelzbäder 232 aus Metall an der Grenzfläche 50 (z. B. den verbindenden oder „Stoß”-Flächen, die dem Punkt des höchsten elektrischen Widerstandes entsprechen) zur Folge.
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Die erzeugte Wärme ist eine Funktion der Strommenge, der durch die Elektroden angewendeten Kraft und der Zeit, in der der Strom bzw. die Kraft angewendet wird, und des elektrischen Widerstandes der Materialien, der Proportionen der Werkstücke, der Metallbeschichtung oder des Fehlens einer Beschichtung, des Materials der Elektroden und der Geometrie der Elektroden.
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Gemäß einem fünften Block 250 hören die Werkzeuge 100 damit auf, den Strom zu erzeugen, und die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 werden gekühlt (z. B. wassergekühlt), um die Metallschmelze 232 erstarren zu lassen. Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 führen beispielsweise schnell Wärme von der Oberfläche der Metallschmelze 232 ab, um das Erstarren des Metalls zu beschleunigen. Kupfer ist z. B. ein ausgezeichneter Leiter, der die Abfuhr von Wärme aus der Metallschmelze erleichtert. Die Elektroden 110, 112 werden entfernt und die Metallbleche 10, 12 werden mithilfe von Schweißverbindungen 232 (als eine Fügestelle bezeichnet und nachstehende in näherem Detail beschrieben) verbunden.
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Im Allgemeinen erzeugt das Punktschweißverfahren 200 eine Bindung (Widerstandsschweißverbindungen umfassen z. B. Festkörper-, Fusions- und Rückflusslötbindungen). In einer Fusionsbindung werden entweder gleichartige oder verschiedenartige Materialien mit gleichartiger Kornstruktur bis zum Schmelzpunkt (flüssiger Zustand) der beiden erwärmt. Das nachfolgende Abkühlen und Kombinieren der Materialien bildet eine „Schweißlinse”, die andere Mikrostrukturen aufweist als die Basismaterialien.
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Bezug nehmend auf 8 wird gemäß einem Nahtschweißverfahren 300 ein Widerstands-Nahtschweißen verwendet, um das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 zu fügen. Wie bei dem Punktschweißverfahren 200 umfassen die Werkzeuge 100 die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 (z. B. aus Kupfer hergestellt), welche Druck und Strom anwenden. Allerdings ist hier jede von der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 scheibenförmig. Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 rotieren. Das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 werden überlappt und zwischen der rotierenden ersten Elektrode 110 und zweiten Elektrode 112 zugeführt.
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Bezug nehmend auf die 8 und 9 werden gemäß einem ersten Block 310 das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 an einer erwünschten Schweißnaht überlappt und positioniert, um zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 zugeführt zu werden.
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Bezug nehmend auf die 8–10 werden gemäß einem zweiten Block 320 das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 zugeführt. Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 werden in Bezug aufeinander so positioniert, dass das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 zugeführt werden, wobei die konvexe Werkzeugoberfläche 120 der ersten Elektrode 110 das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 in die konkave Werkzeugoberfläche 122 der zweiten Elektrode 112 hinein presst, um dadurch die erste Tasche 20 und die zweite Tasche 22 zu bilden. Die Elektroden können die Metallbleche auch bewege oder deren Bewegung unterstützen.
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Gemäß einem dritten Block 330 erzeugen die Werkzeuge 100 im Wesentlichen gleichzeitig mit dem zweiten Block 320 (z. B. gleich nachdem die erste Tasche 20 und die zweite Tasche 22 gebildet wurden) einen Strom, der zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 112 fließt und dabei durch das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 hindurch fließt. Der Strom wird erzeugt, wenn die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 damit fortfahren, eine Kraft anzuwenden, um den Kontakt zwischen der ersten Elektrode 110, der ersten Tasche 20, der zweiten Tasche 22 und der zweiten Elektrode 112 aufrechtzuerhalten. Insbesondere stehen die erste Tasche 20 und die zweite Tasche 22 an der Grenzfläche 50 in Kontakt.
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Gemäß einem vierten Block 340 erzeugt der Strom durch das erste Metallblech 10 und das zweite Metallblech 12 Wärme an der Grenzfläche 50 (d. h., wo die Werkstücke 10, 12 einander überlappen). Die Wärme bildet Metallschmelzbäder an der Grenzfläche 50 (z. B. den verbindenden oder „Stoß”-Flächen, die dem Punkt des höchsten elektrischen Widerstandes entsprechen). Insbesondere bewirkt der elektrische Widerstand des ersten Metallblechs 10 und des zweiten Metallblechs 12, dass sich Wärme aufbaut. Die ansteigende Temperatur bewirkt einen ansteigenden Widerstand und hat Schmelzbad aus Metall zur Folge. Die halbgeschmolzenen Oberflächen werden durch die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 zusammengepresst, um eine Fusionsbindung an der Grenzfläche 50 zu erzeugen.
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Gemäß einem fünften Block 350 hören die Werkzeuge 100 damit auf, den Strom zu erzeugen, und die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 werden gekühlt, um die Metallschmelze erstarren zu lassen und eine Fügestelle zu bilden. Die Werkzeuge 100 verwendet z. B. eine Wasserkühlung durch die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 112 hindurch.
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Bezug nehmend auf 11 wird gemäß einem Ultraschallschweißverfahren 400 Ultraschallschweißen verwendet, um das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 zu fügen. Gemäß dem Ultraschallschweißverfahren 400 werden akustische Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen lokal auf das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 angewendet, die unter Druck zusammengehalten werden, um eine Festkörper-(für Metall) oder eine Fusions-(für Polymer)-Schweißnaht zu erzeugen. Insbesondere fügt das Ultraschallschweißen Stoß(z. B. überlappende oder in Kontakt stehende)-Oberflächen 32, 40 (d. h. die Grenzfläche 50) der Werkstücke 10, 12. Beispielsweise wird für Metall eine Festkörperschweißnaht durch horizontale Schwingung des ersten Werkzeugelements 110 (z. B. eines Horns) erzeugt und für Polymermaterialien wird eine Fusion durch vertikale Schwingung des ersten Werkzeugelements 110 erzeugt.
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Das Ultraschallschweißen ist auf Werkstücke 10, 12 anwendbar, die aus Materialien hergestellt sind, welche Polymer-Verbundwerkstoffe, Kunststoffe (z. B. sowohl Hart- als auch Weichkunststoffe wie z. B. halbkristalline Kunststoffe), kohlefaserverstärkte Polymer(CFRP, vom engl. carbon-fiber-reinforced polymer)-Platten und Metalle (z. B. dünne, verformbare Metalle wie z. B. Aluminium, Kupfer und Nickel) umfassen.
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Zu Lehrzwecken ist das erste Werkzeugelement 110 eine Sonotrode (auch als Horn bezeichnet) und das zweite Werkzeugelement 112 ist eine Auflage (auch als ein Amboss bezeichnet); und jedes von dem ersten Werkstück 10 und dem zweiten Werkstück 12 ist eine polymere Verbundwerkstoffplatte. Die umfasste Sonotrode 110 wird durch den Wandler 72 in Schwingung versetzt, der Elektrizität in mechanische Schwingung umwandelt.
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Die Auflage 112 und die Sonotrode 110 sind ausgestaltet, um zusammenzukommen, um die erste polymere Verbundwerkstoffplatte 10 und die zweite polymere Verbundwerkstoffplatte 12 an der Grenzfläche 50 zusammenzupressen.
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Die erste Tasche 20 ist in der ersten polymeren Verbundwerkstoffplatte 10 vorgeformt und die zweite Tasche 22 ist in der zweiten polymeren Verbundwerkstoffplatte 12 vorgeformt.
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Die Sonotrode 110 ist ausgestaltet, um akustische Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen durch die gepresste erste polymere Verbundwerkstoffplatte 10 und die zweite polymere Verbundwerkstoffplatte 12 anzuwenden. Die akustischen Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen erzeugen eine Schweißnaht an der Grenzfläche 50, wie nachfolgend in näherem Detail beschrieben ist. Da sich die Schweißnaht entlang der nicht linearen Grenzfläche 50 befindet, ist die lokale Belastung unter einer gegebenen Fernbelastung eine Mischmodusbelastung (z. B. Abschäl-Scherbelastung).
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Bezug nehmend auf 11 wird gemäß einem ersten Block 410 des Ultraschallschweißverfahrens 400 die erste polymere Verbundwerkstoffplatte 10 mit der Tasche 20 vorgeformt und die zweite polymere Verbundwerkstoffplatte 12 wird mit der Tasche 22 vorgeformt. Die Taschen 20, 22 werden z. B. während eines Formpressprozesses gebildet, durch den die polymeren Verbundwerkstoffplatten 10, 12 gebildet werden.
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Die erste polymere Verbundwerkstoffplatte 10 und die zweite polymere Verbundwerkstoffplatte 12 werden überlappt, sodass die Taschen 20, 22 überlappen. Insbesondere wird die erste konvexe Oberfläche 32 der ersten Tasche 20 gegen die zweite konkave Oberfläche 40 der zweiten Tasche 22 (d. h. an der Grenzfläche 50) positioniert.
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Die überlappenden Taschen 20, 22 werden in der Auflage 112 und zwischen der Sonotrode 110 und der Auflage 112 positioniert. Insbesondere wird die zweite konvexe Oberfläche 42 gegen die konkave Werkzeugoberfläche 122 der Auflage 112 positioniert.
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Bezug nehmend auf die 11 und 12 werden gemäß einem zweiten Block 420 die Auflage 112 und die Sonotrode 110 zusammengebracht, um die erste polymere Verbundwerkstoffplatte 10 und die zweite polymere Verbundwerkstoffplatte 12 an der Grenzfläche 50 zusammenzupressen. Die konvexe Werkzeugoberfläche 120 der Sonotrode 110 steht mit der ersten konkaven Oberfläche 30 der ersten polymeren Verbundwerkstoffplatte 10 in Kontakt.
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Bezug nehmend auf die 11–13 sendet gemäß einem dritten Block 430 die Sonotrode 110 eine akustische Schwingung mit niedriger Amplitude aus (übliche Frequenzen, die beim Ultraschallschweißen verwendet werden, sind z. B. 15 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 35 kHz, 40 kHz und 70 kHz). Die Wärme (d. h. Wärme von der Reibung zwischen den Werkstücken und intramolekularer Schwingung) von der Ultraschallschwingung schmilzt das Material 432 der ersten polymeren Verbundwerkstoffplatte 10 und der zweiten polymeren Verbundwerkstoffplatte 12 an der Grenzfläche 50 (d. h. an einem Kontaktpunkt zwischen den Werkstücken 10, 12). Das Ultraschallschweißen bewirkt ein lokales Schmelzen des Materials 432 aufgrund von Absorption von Schwingungsenergie. Die Schwingungen werden über die Grenzfläche 50 (z. B. die zu schweißende Fügestelle) hinweg eingeleitet.
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Gemäß einem vierten Block 440 hört der Wandler 72 damit auf, eine Schwingung auszusenden, und das Material 432 an der Grenzfläche 50 erstarrt, um eine Fügestelle zu erzeugen.
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Bezug nehmend auf die 14 und 15 wird eine Fügestelle 500 zwischen dem ersten Werkstück 10 und dem zweiten Werkstück 12 z. B. gemäß einem der hierin beschriebenen Verfahren erzeugt. Die Fügestelle 500 wird entlang der nicht linearen Grenzfläche 50 zwischen der ersten Tasche 20 und der zweiten Tasche 22 erzeugt. 14 illustriert eine Fernbelastung, die eine Scherbelastung (z. B. in einer Ebene der Werkstücke 10, 12) ist. 15 illustriert eine Fernbelastung, die eine Abschälbelastung (z. B. rechtwinklig zu der Ebene der Werkstücke 10, 12) ist.
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Da die Fügestelle 500 entlang der nicht linearen Grenzfläche 50 erzeugt wird, hat jede von der Scherbelastung von 14 du der Abschälbelastung von 14 eine lokale, gemischte Abschäl-Scher-Belastung an der Fügestelle 500 zur Folge. Durch Induzieren der Mischmodus(Abschäl-Scher)-Belastung werden die Spannungen an der Fügestelle 500 gleichmäßiger verteilt, um eine stärkere Fügestelle zu erzeugen. Die Fügestelle 500 verteilt z. B. die Spannungen, die normalerweise in einer herkömmlichen Fügestelle mit einer flachen Oberfläche unter Abschälbelastung vorhanden sind, schon eher als die einer Fügestelle unter Scherbelastung.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind rein exemplarische Illustrationen von Implementierungen, welche für ein klares Verständnis der Prinzipien der Offenbarung dargelegt sind. Es können Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Alle derartigen Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen sind hierin von dem Schutzumfang dieser Offenbarung und den folgenden Ansprüche umfasst.
