DE102015120816A1

DE102015120816A1 - Widerstandspunktschweissen von Stahl- und Aluminiumwerkstücken mit einem Elektrodeneinsatz

Info

Publication number: DE102015120816A1
Application number: DE102015120816.4A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang; David R. Sigler; Blair E. Carlson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-06-09
Also published as: US20160158874A1; US9999939B2; CN105665908B; CN105665908A

Abstract

Ein Verfahren zum Widerstandspunktverschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes umfasst mehrere Schritte. In einem Schritt wird ein Werkstückstapel vorgesehen. Der Werkstückstapel umfasst ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück. Ein weiterer Schritt beinhaltet, dass eine erste Schweißelektrode, die dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück gegenübersteht, und eine zweite Schweißelektrode, die dem Stahlwerkstück gegenübersteht, vorgesehen werden. Die erste Schweißelektrode weist einen Elektrodenkörper und einen Einsatz auf, der die Funktion besitzt, einen Wärmefluss in den Elektrodenkörper hinein zu begrenzen oder zu eliminieren. Weitere Schritte des Verfahrens beinhalten, dass die erste und die zweite Schweißelektrode mit entgegengesetzten Seiten des Werkstückstapels in Kontakt gebracht werden und der Stapel widerstandspunktgeschweißt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren das Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes.
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 Metallwerkstücke während der Fertigung u. a. einer/s Fahrzeugtür, -haube, Kofferraumdeckels, oder Heckklappe neben anderen Fahrzeugkomponenten zusammenzufügen. Mehrfach-Widerstandspunktschweißnähte werden in der Regel entlang eines Umfangs des Metallwerkstückes oder an einer anderen Stelle hergestellt. Während das Punktschweißen in der Regel praktiziert wurde, um bestimmte, ähnlich zusammengesetzte Metallschichten – z. B. Stahl an Stahl und Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung – zusammenzufügen, hat der Wunsch, leichtere Materialien in eine Fahrzeugplattform einzubauen, zu einem Interesse daran geführt, Stahlwerkstücke mittels Widerstandspunktschweißen an Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-(in der Folge der Kürze wegen kollektiv als „Aluminium”)Werkstücke zu fügen. Darüber hinaus würde die Möglichkeit des Widerstandspunktschweißens von Werkstückstapeln, die unterschiedliche Werkstückkombinationen (z. B. Aluminium/Aluminium, Stahl/Stahl und Aluminium/Stahl) umfassen, mit einem Einrichtungsteil die Produktionsflexibilität erhöhen und die Herstellungskosten verringern.
Das Widerstandspunktschweißen beruht allgemein auf dem Widerstand gegen den Fluss von elektrischem Strom durch in Kontakt stehende Metallwerkstücke und über deren Stoß-Grenzfläche hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um einen Widerstandsschweißprozess auszuführen, wird ein Paar entgegengesetzter Schweißelektroden an ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten der Metallwerkstücke an einer Schweißstelle geklemmt. Dann wird ein elektrischer Strom von einer Schweißelektrode durch die Werkstücke hindurch zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegen den Fluss von elektrischem Strom erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an deren Stoß-Grenzfläche. Wenn die Werkstücke, die punktgeschweißt werden, ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumwerkstück sind, initiiert die an der Stoß-Grenzfläche erzeugte Wärme in der Regel ein Schweißschmelzbad, das von der Stoß-Grenzfläche in die Aluminiumwerkstücke eindringt. Das Schweißschmelzbad benetzt die benachbarte Fläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach Aufhören des Stromflusses zu einer Schweißlinse, welche eine ganze Schweißverbindung oder einen Teil davon bildet. Nachdem der Punktschweißprozess abgeschlossen ist, werden die Schweißelektroden von den Werkstückoberflächen zurückgezogen und der Punktschweißprozess wird an einer anderen Schweißstelle wiederholt.
Das Widerstandspunktschweißen von einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstück kann jedoch herausfordernd sein, da die beiden Metalle unterschiedliche Eigenschaften besitzen, die dazu neigen, den Schweißprozess zu verkomplizieren. Insbesondere weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (~1500°C) und einen relativ hohen elektrischen und thermischen Widerstand auf, wohingegen Aluminium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600°C) und einen relativ niedrigen elektrischen und thermischen Widerstand aufweist. Infolgedessen wird der Großteil der Wärme in dem Stahlwerkstück während eines elektrischen Stromflusses erzeugt. Dieses Wärme-Ungleichgewicht errichtet einen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem Aluminiumwerkstück (niedrigere Temperatur), der ein schnelles Schmelzen des Aluminiumwerkstückes initiiert. Die Kombination aus dem während des Stromflusses erzeugten Temperaturgradienten und der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumwerkstückes bedeutet, dass sich, unmittelbar nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, eine Situation einstellt, in der Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle verteilt wird. Vielmehr wird Wärme von dem heißeren Stahlwerkstück durch das Aluminiumwerkstück hindurch in Richtung der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück geleitet, was relativ steile thermische Gradienten in dieser Richtung erzeugt.
Man nimmt an, dass die Entwicklung von steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück die Integrität der resultierenden Schweißverbindung auf zweierlei primäre Art und Weise schwächt. Erstens, da das Stahlwerkstück Wärme über eine längere Dauer zurückhält als das Aluminiumwerkstück, nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, erstarrt das Schweißschmelzbad, das in dem Aluminiumwerkstück initiiert und zum Wachsen gebracht wurde, gerichtet, beginnend von dem Gebiet am nächsten bei der kälteren Schweißelektrode (oft wassergekühlt), welches dem Aluminiumwerkstück zugehörig ist, und sich in Richtung der Stoß-Grenzfläche ausbreitend. Eine Erstarrungsfront dieser Art neigt dazu, Fehler – z. B. eine Gasporosität, Schrumpfungshohlräume, Mikrorissbildung und Oxidrückstände – in Richtung und entlang der Stoß-Grenzfläche innerhalb der Aluminiumlegierungs-Schweißlinse zu reißen oder zu treiben. Zweitens begünstigt eine anhaltend erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Verbindungen an und entlang der Stoß-Grenzfläche. Die intermetallischen Verbindungen neigen dazu, dünne Reaktionsschichten zwischen der Aluminiumschweißlinse und dem Stahlwerkstück zu bilden. Diese intermetallischen Schichten werden allgemein als Teil der Schweißverbindung, falls vorhanden, zusätzlich zu der Schweißlinse betrachtet. Man nimmt an, dass das Vorhandensein einer Verteilung von Schweißlinsenfehlern zusammen mit übermäßigem Wachstum von intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Stoß-Grenzfläche, die Abschälfestigkeit der fertigen Schweißverbindung herabsetzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungswerkstück (in dieser Offenbarung wiederum der Kürze wegen kollektiv als „Aluminium”-Werkstück bezeichnet) umfasst. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Einsatzes, der innerhalb eines Körpers der Schweißelektrode eingebettet ist, die an der Elektroden-Schweißfläche freigelegt ist, sodass der Einsatz während des Widerstandspunktschweißens einen Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück herstellt. Der Einsatz besitzt die Funktion, einen Wärmefluss in den Elektrodenkörper hinein zu begrenzen oder zu eliminieren. Er bewerkstelligt dies, indem er zumindest einen Umfangsabschnitt benachbart zu dem umgebenden Elektrodenkörper aufweist, welcher eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, wie durch den International Annealed Copper Standard (IACS) definiert, ist, wie auch eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist.
Der Einsatz kann vielerlei Bauformen aufweisen, welche die oben angeführten elektrischen und thermischen Leitfähigkeitsparameter erfüllen. Zum Beispiel kann der Einsatz in einer Ausführungsform ganz aus Materialien mit einer niedrigen elektrischen/thermischen Leitfähigkeit (d. h., einer elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von jeweils weniger als 20% der elektrischen bzw. thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer) wie z. B. einem kohlenstoffarmen Stahl, Werkzeugstahl, rostfreien Stählen, Kupfernickelmetallen, Hastelloy^®-Metallen, Inconel^®-Metallen, Titan, sowie anderen Metallen zusammengesetzt sein. Als ein anderes Beispiel kann der Einsatz ein elektrischer Isolator sein, dem die Fähigkeit fehlt, elektrischen Strom zu leiten. Beispiele von Materialien für einen elektrischen Isolator umfassen Aluminiumoxid, Quarzglas, Cordierit und bestimmte Nieder- und Hochspannungsporzellane. Außerdem kann der Einsatz eine Isolierung oder eine Ummantelung mit einer niedrigen elektrischen/thermischen Leitfähigkeit und ein inneres Stück innerhalb der Ummantelung aufweisen, das elektrische und thermische Leitfähigkeiten von gut mehr oder gleich 20% der von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer aufweisen kann aber nicht unbedingt muss. Das innere Stück kann relativ hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten aufweisen, da die Ummantelung letztlich als eine Barriere fungiert, die den Wärmefluss von dem Einsatz in den umgebenden Elektrodenkörper merkbar minimiert oder beseitigt. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Ummantelung aus einem Material wie z. B. Teflon^® (PTFE) oder einem Hochtemperatur-Epoxidklebstoff zusammengesetzt sein, und das innere Stück kann aus einem feuerfesten Metall wie z. B. Molybdän, einer Molybdänlegierung, Wolfram oder einer Wolframlegierung zusammengesetzt sein.
Der Einsatz verändert die Temperaturgradienten um das Aluminium-Schweißschmelzbad herum auf zumindest eine von zwei Arten aufgrund seiner niedrigeren elektrischen und thermischen Leitfähigkeit bezüglich des umgebenden Elektrodenkörpers, in dem er eingebettet ist. Erstens wird jegliche in dem Einsatz enthaltene Wärme – entweder durch Widerstandserwärmung oder durch Wärmeleitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad, oder beiden erzeugt – nicht ohne weiteres auf den umgebenden Elektrodenkörper übertragen. Der Einsatz speichert somit Wärme innerhalb des Aluminiumwerkstückes unterhalb und in Kontakt mit dem Einsatz, die ansonsten ohne den Einsatz nicht vorhanden wäre. Zweitens bewirkt der hohe elektrische spezifische Widerstand des Umfangsabschnitts des Einsatzes, dass der zwischen den Schweißelektroden fließende elektrische Strom ein konisches Fließmuster innerhalb des Aluminiumwerkstückes und um den Einsatz herum annimmt. Diese beiden Effekte können, entweder einzeln oder gemeinsam, die Temperaturgradienten um das Aluminium-Schweißschmelzbad herum auf vorteilhafte Weise verändern. Man nimmt insbesondere an, dass die veränderten Temperaturgradienten das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades verändern, um die unerwünschte Akkumulation von Fehler an und entlang einer Stoß-Grenzfläche des Werkstückstapels auszuschließen. Überdies kann dann, wenn der Einsatz hinreichend Wärme erzeugt, die Wärme, die in dem Stahlwerkstück erzeugt werden muss, reduziert werden, was demzufolge das Wachstum (einer) spröden intermetallischen Fe-Al-Schichten an der Stoß-Grenzfläche behindert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer Widerstandspunktschweißanordnung;
2 ist eine Mikrostruktur einer Schweißlinse, die durch einen Widerstandspunktschweißprozess ohne Verwendung eines Einsatzes wie jener, die in der nachfolgenden Beschreibung detailliert beschrieben sind, gebildet wird;
3 illustriert einen Ablauf der Ausführung einer Widerstandspunktschweißnaht und das damit einhergehende Erstarrungsverhalten einer resultierenden Aluminium-Schweißlinse, wobei die Fig. eine Seitenansicht eines über einen Werkstückstapel gebrachten Paares von Schweißelektroden zeigt, wobei eine der Schweißelektroden eine Ausführungsform eines Einsatzes aufweist;
4 ist eine Mikrostruktur einer Schweißlinse, die durch einen Widerstandspunktschweißprozess unter Verwendung einer Ausführungsform eines Einsatzes wie jener, die in der nachfolgenden Beschreibung detailliert beschrieben sind, gebildet wird; und
5 ist eine Seitenansicht eines über einen Werkstückstapel gebrachten Paares von Schweißelektroden, wobei eine der Schweißelektroden eine andere Ausführungsform eines Einsatzes aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Verfahren und Anordnungen, die in dieser Beschreibung ausführlich beschrieben sind, lösen verschiedene Herausforderungen, denen man beim Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels begegnet, der ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück umfasst. Wenngleich sie nachfolgend in näherem Detail beschrieben sind, können die beschriebenen Verfahren und Anordnungen allgemein das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades, das innerhalb des Aluminiumwerkstückes erzeugt wird, verändern, um die Akkumulation und Ausbreitung von Fehler an der Stoß-Grenzfläche zwischen den Stahl- und Aluminiumwerkstücken zu begrenzen oder insgesamt auszuschließen. Die Verfahren und Anordnungen können auch die Größe und Dicke jeglicher intermetallischer Fe-Al-Schichten minimieren, die an der Stoß-Grenzfläche gebildet werden. Insgesamt oder einzeln helfen diese Maßnahmen dabei, eine entsprechende Festigkeit, insbesondere eine entsprechende Abschälfestigkeit einer zwischen dem Aluminium- und dem Stahlwerkstück hergestellten Schweißverbindung sicherzustellen. Und während die Verfahren und Anordnungen nachfolgend im Zusammenhang mit Fahrzeugkarosserieteilen beschrieben sind, werden Fachleute erkennen und verstehen, dass derartige Verfahren und Anordnungen in anderen Zusammenhängen wie z. B. Luftfahrt, Seefahrt und industriellen Ausstattungsanwendungen verwendet werden können.
1 zeigt ein Beispiel einer Widerstandspunktschweißanordnung 10, die verwendet werden kann, um einen Wertstückstapel 12 widerstandspunktzuschweißen, der ein Stahlwerkstück 14 und ein Aluminiumwerkstück 16 umfasst, die übereinander gelegt sind. Wenngleich in 1 nicht gezeigt, könnte der Werkstückstapel 12, falls erwünscht, zusätzliche Werkstücke wie z. B. ein einzelnes Aluminiumwerkstück und ein Paar Stahlwerkstücke umfassen, um neben anderen Möglichkeiten einen Stapel zu bilden, der aus insgesamt drei einzelnen Werkstücken besteht. Jedes von dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück 14, 16 kann eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 6,0 mm, zwischen 0,5 mm und 4,0 mm und enger zwischen 0,6 mm und 2,5 mm liegt, wenngleich andere Dickenabmessungen möglich sind. Der Ausdruck „Werkstück” und seine Stahl- und Aluminiumvarianten werden in dieser Beschreibung weitläufig verwendet, um sich auf eine Metallblechschicht, ein Gussteil, ein Strangpressteil oder ein beliebiges anderes widerstandspunktschweißbares Teil zu beziehen.
Das Stahlwerkstück 14 kann ein verzinkter kohlenstoffarmer Stahl sein, ein verzinkter „Advanced High Strength”-Stahl (AHSS), ein aluminiumbeschichteter Stahl, ein kohlenstoffarmer Stahl, ein blanker Stahl oder eine andere Art von Stahl. Einige spezifische Arten von Stählen, die in dem Stahlwerkstück 14 verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, „Interstitial-free”(IF)-Stahl, Dualphasen(DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity”(TRIP)-Stahl und pressgehärteten Stahl (PHS, vom engl. press-hardened steel). Andererseits kann das Aluminiumwerkstück 16 Aluminium, eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung oder eine andere Art von Aluminium sein. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die in dem Aluminiumwerkstück 16 verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, die Aluminium-Magnesium-Legierung 5754, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung 6022, die Aluminium-Zink-Legierung 7003 und die Al-10Si-Mg Aluminium-Druckgusslegierung. Darüber hinaus können diese und andere geeignete Aluminiumlegierungen (wie auch Aluminium) mit Zink oder Konversionsbeschichtungen beschichtet werden, die in der Regel verwendet werden, um das Klebevermögen zu verbessern. Optional können Durchschweißklebstoffe oder -dichtmittel vorhanden sein, die normalerweise bei Widerstandspunktschweißvorgängen verwendet werden.
Weiterhin Bezug nehmend auf 1 ist die Widerstandspunktschweißanordnung 10 typischerweise ein Teil eines größeren automatisierten Schweißvorganges, der einen ersten Schweißzangenarm 18 und einen zweiten Schweißzangenarm 20 umfasst, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Widerstandspunktschweißnähte zu bilden. Der erste Schweißzangenarm 18 kann eine erste Elektrodenhalterung 22 aufweisen, welche eine erste Schweißelektrode 24 festhält, und in ähnlicher Weise kann der zweite Schweißzangenarm 20 eine zweite Elektrodenhalterung 26 aufweisen, welche eine zweite Schweißelektrode 28 festhält. Die erste Schweißelektrode 24 ist nachfolgend in näherem Detail beschrieben und die zweite Schweißelektrode 28 kann eine herkömmliche Elektrode sein, die aus einem geeigneten Kupferlegierungsmaterial wie z. B. der Kupfer-Zirkonium-Legierung zusammengesetzt sein, die allgemein unter der Bezeichnung C15000 bekannt ist. Wenn sie beim Widerstandspunktschweißen eingreifen, pressen die Schweißzangenarme 18, 20 ihre jeweilige Schweißelektroden 24, 28 an einer Schweißstelle 30 gegen entgegengesetzte Seiten und äußere Oberflächen der übereinander gelegten Werkstücke 14, 16, wobei die begleitenden Schweißflächen der Elektroden quer und miteinander ausgerichtet sind. Eine Stoß-Grenzfläche 32 befindet sich zwischen den Stahl- und den Aluminiumwerkstücken 14, 16 an gegenüberstehenden und anliegenden inneren Oberflächen der Werkstücke 12, 14. Die Stoß-Grenzfläche 32 umfasst Vorgänge eines direkten Kontakts zwischen den inneren Werkstückoberflächen wie auch Vorgänge, bei denen die inneren Oberflächen nicht direkt in Kontakt stehen, sich aber in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, sodass ein Widerstandspunktschweißen möglich ist.
2 illustriert eine Mikrostruktur einer Aluminium-Schweißlinse 34, die durch ein Widerstandspunktschweißverfahren ohne die Verwendung der unten beschriebenen ersten Schweißelektrode 24, sondern stattdessen unter Verwendung eines Paares von herkömmlichen Kupferlegierungs-Schweißelektroden gebildet ist, durch die hindurch ein elektrischer Strom von 16 kA über eine Schweißzeit von 500 ms geleitet wurde. Während in einigen Fällen eine geeignete Schweißlinse ohne die Verwendung der ersten Schweißelektrode 24 und ihres Einsatzes gebildet werden kann, wurden in diesem Beispiel Fehler D an der Stoß-Grenzfläche 32 entdeckt und haben sich entlang derselben ausgebreitet. Neben anderen Möglichkeiten können die Fehler D Schrumpfungshohlräume, Gasporosität, Oxidrückstände und Mikrorissbildung umfassen. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Fehler D entlang der Stoß-Grenzfläche 32 vorhanden und ausgebreitet sind, diese die Abschälfestigkeit der zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück 14, 16 hergestellten Schweißverbindung herabsetzen und die Gesamtintegrität der Verbindung negativ beeinflussen und schwächen können. Überdies können zusätzlich zu den Fehler D eine oder mehrere intermetallische Fe-Al-Schichten (nicht gezeigt), die zusammen mit der Aluminium-Schweißlinse 34 auch als Teil der Schweißverbindung betrachtet werden, zwischen den Stahl- und Aluminiumwerkstücken 14, 16 und an der Stoß-Grenzfläche 32 wachsen. Die intermetallischen Fe-Al-Schichten können aus FeAl₃ und Fe₂Al₅ wie auch aus anderen Verbindungen bestehen und sind, wenn vorhanden, oft hart und spröde. Wiederum können hier die intermetallischen Fe-Al-Schichten einen negativen Einfluss auf die Gesamtintegrität der Schweißverbindung haben, wenn zugelassen wird, dass sie weitreichend wachsen.
Ohne die Absicht, durch bestimmte Ursachentheorien eingeschränkt zu sein, nimmt man derzeit an, dass die Akkumulation und Ausbreitung der Fehler D entlang der Stoß-Grenzfläche 32 großteils auf das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades zurückzuführen ist, wenn es in die Schweißlinse 34 übergeht. Das heißt, es kann sich aufgrund der ungleichen physikalischen Eigenschaften der zwei Metall – und zwar des viel höheren elektrischen und thermischen Widerstandes des Stahls – ein Wärme-Ungleichgewicht zwischen dem viel heißeren Stahlwerkstück 14 und dem kälteren Aluminiumwerkstück 16 entwickeln. Somit wirkt der Stahl als eine Wärmequelle, während das Aluminium als ein Wärmeleiter wirkt, was bedeutet, dass das innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 erzeugte Aluminium-Schweißschmelzbad von seinem Außenumfang in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 abkühlt und erstarrt, da Wärme aus dem Schweißbad gerichtet durch die wassergekühlte Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 entzogen wird. Der Weg und die Richtung einer Erstarrungsfront sind in 2 allgemein durch gestrichelte Pfeile P dargestellt, und eine Grenze der Schweißlinse 34 ist allgemein durch Strichlinien B dargestellt. Der Weg P ist an der Stoß-Grenzfläche 32 spitz, und die schrägere Begrenzung B (verglichen mit der in 4 gezeigten) ist das Ergebnis der Erstarrung in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32. So gelenkt werden die Schweißbad-Fehler D in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 gezogen oder mitgenommen, wenn die Erstarrungsfront entlang des Weges P voranschreitet, und kann an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 liegend enden. Des Weiteren nimmt man derzeit an, dass das Wachstum der intermetallischen Fe-Al-Schichten zumindest zum Teil auf die erhöhte Temperatur zurückzuführen ist, die das Stahlwerkstück 14 während des Widerstandspunktschweißprozesses erfährt.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3 ist, um die Akkumulation und Ausbreitung der Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 zu begrenzen und in einigen Fällen insgesamt auszuschließen, ein Einsatz 36 innerhalb eines umgebenden Körpers 38 der ersten Schweißelektrode 24 eingebettet. Der Ausdruck „Einsatz”, wie hierin verwendet, bedeutet nicht unbedingt, dass die Komponente, auf die er sich bezieht, während des Aufbaus der Schweißelektrode 24 physikalisch an Ort und Stelle eingesetzt sein muss; vielmehr kann die Komponente durch Einsetzen oder durch andere Techniken als Einsetzen in der Schweißelektrode 24 angeordnet werden. Im Allgemeinen und wie nachfolgend in näherem Detail beschrieben, erfüllt der Einsatz 36 die Funktion, einen Wärmefluss in den umgebenden Elektrodenkörper 38 hinein zu begrenzen oder zu eliminieren. Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz 36 derart gebaut, dass er zumindest einen Umfangsabschnitt benachbart zu dem umgebenden Elektrodenkörper 38 aufweist, welcher eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist, wie durch den IACS definiert, wie auch eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist. Die elektrische Leitfähigkeit von handelsüblichem, weich geglühtem, reinem Kupfer, wie durch den IACS definiert (auch als 100% IACS bezeichnet) beträgt 5,80 × 10⁷ S/m. Und die thermische Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist hierin mit 390 W/m°K definiert. Der Umfangsabschnitt des Einsatzes 36 kann in kontinuierlichem Kontakt mit dem umgebenden Elektrodenkörper 38 oder wie in den 3 und 5 gezeigt stehen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann der Umfangsabschnitt des Einsatzes 36 allerdings durch einen Luftspalt oder -spalte unterbrochen sein.
Wenn er so gebaut ist, dass er einen Umfangsabschnitt aufweist, verhält sich der Einsatz 36 hinsichtlich der elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften anders als der umgebende Elektrodenkörper 38, wobei man annimmt, dass dies die Temperaturgradienten um das in dem Aluminiumwerkstück 16 gebildete Aluminium-Schweißschmelzbad herum während eines Stromflusses auf zumindest eine von zwei Arten ändert. Erstens, da der Einsatz 36 einen Wärmefluss in den umgebenden Elektrodenkörper 38 hinein begrenzt oder verhindert, wird jegliche in dem Einsatz 36 enthaltene Wärme nicht ohne weiteres auf den Elektrodenkörper 38 übertragen, wo sie von dem in der ersten Schweißelektrode 24 eingebauten Kühlmechanismus (z. B. Wasserkühlung) schnell entzogen werden kann. Während des Stromflusses kann Wärme durch Leitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad in den Einsatz 36 eingeleitet werden, und außerdem kann sie innerhalb des Einsatzes 36 erzeugt werden, wenn zumindest ein Teil des Einsatzes 36 in der Lage ist, Elektrizität zu leiten. Und da sich eine solche Wärme nicht ohne weiteres in den Elektrodenkörper 38 hinein verteilen kann, akkumuliert der Einsatz 36 die Wärme benachbart zu dem unten liegenden Teil des Aluminiumwerkstückes 16 und hält sie zurück, was den gerichteten Wärmefluss von dem Aluminium-Schweißschmelzbad in die erste Schweißelektrode 24 hinein verlangsamt und eine seitliche Wärmeübertragung innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 begünstigt.
Zweitens bewirkt der Einsatz 36, dass der elektrische Strom, der zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 24, 28 durchgeleitet wird, ein konisches Fließmuster innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 und um den Einsatz 36 herum annimmt. Um sicher zu gehen, dehnt sich der Weg des fließenden elektrischen Stromes als Teil des konischen Fließmusters radial innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 aus, sodass die elektrische Stromdichte zumindest von der Stoß-Grenzfläche 32 in Richtung der Oberfläche des Aluminiumwerkstückes 16 in Kontakt mit der ersten Schweißelektrode 24 abnimmt. Der elektrische Strom fließt auch in die erste Schweißelektrode 24 hinein, hauptsächlich durch eine kreisringförmige Grenzfläche, die zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem Aluminiumwerkstück 16 um den Einsatz 36 herum hergestellt ist. Indem der Durchgang von elektrischem Strom in einem konischen Fließmuster bewirkt wird, wird Wärme in einer kleineren Zone innerhalb des Stahlwerkstückes 14 verglichen mit dem Aluminiumwerkstück 16 konzentriert, was den Effekt einer Änderung der Temperaturgradienten mit sich bringt, welche das in dem Aluminiumwerkstück 16 gebildete Aluminium-Schweißschmelzbad umgeben, um so eine seitliche Wärmeausbreitung von dem Schweißbad in den Werkstückstapel 12 hinein zu begünstigen wird.
Der exakte Aufbau des Einsatzes 36 kann neben anderen Überlegungen von dem Material des Elektrodenkörpers 38 und dem gewünschten Grad des Wärmerückhaltevermögens und der konischen Stromausbreitung in dem Aluminiumwerkstück 16 abhängig sein. Ähnlich wie bei der zweiten Schweißelektrode 28 kann der Elektrodenkörper 38 aus einem Kupferlegierungsmaterial mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 80% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, wie durch den IACS definiert, oder einer höheren, wie z. B. der Kupfer-Zirkonium-Legierung, die üblicherweise mit der Bezeichnung C15000 bezeichnet wird, wie auch anderen Materialien zusammengesetzt sein. Gemäß einer Ausführungsform, wie hier gezeigt, kann der Einsatz 36 vollständig aus einem Material zusammengesetzt sein, das eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, wie durch die IACS definiert, und eine thermische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich von ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer aufweist. Anders ausgedrückt kann der Einsatz 36 vollständig aus einem Material zusammengesetzt sein, das eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 1,16 × 10⁷ S/m oder weniger und eine thermische Leitfähigkeit von ca. 78 W/m°K oder weniger aufweist. Der Einsatz 36 kann sogar aus einem Material zusammengesetzt sein, das wegen seines Unvermögens, elektrischen Strom zu leiten, als ein elektrischer Isolator betrachtet wird. Das Material des Einsatzes 36 weist somit eine deutlich niedrigere elektrische Leitfähigkeit und eine deutlich niedrigere thermische Leitfähigkeit als jene des umgebenden Elektrodenkörpers 38 sowie des Aluminiumwerkstücks 16 auf.
Es kann eine Anzahl von Materialien verwendet werden, um den in 3 gezeigten Einsatz 36 zu bauen. Einige spezielle Beispiele von Materialien, die verwendet werden können, wenn der Einsatz 36 dazu vorgesehen ist, eine gewisse Fähigkeit zu besitzen, elektrischen Strom zu leiten (aber nicht mehr als 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, weich geglühtem, reinem Kupfer, wie durch den IACS definiert), sind Legierungen auf Fe-Basis wie zum Beispiel kohlenstoffarme Stähle, Werkzeugstahl und rostfreie Stähle. Weitere Beispiele umfassen Kupfernickelmetalle, Hastelloy^®-Metalle, Inconel^®-Metalle, Titan, Niob, Tantal und Vanadium. Und wenn der Einsatz 36 ein nicht-leitfähiger elektrischer Isolator sein soll, kann er aus mehreren unterschiedlichen Keramikmaterialien zusammengesetzt sein. Beispiele für geeignete Keramikmaterialien, die verwendet werden können, umfassen Aluminiumoxid (das eine thermische Leitfähigkeit von ~30 W/m°K aufweist), Quarzglas (thermische Leitfähigkeit von ~1,4 W/m°K), Cordierit (thermische Leitfähigkeit von ~1,4 W/m°K) und Nieder- und Hochspannungsporzellane (thermische Leitfähigkeiten von ~2 W/m°K).
Weiterhin Bezug nehmend auf 3 ist der Einsatz 36 in dem Elektrodenkörper 38 eingebettet, sodass er einen Teil einer Schweißfläche 40 der ersten Schweißelektrode 24 bildet. Insbesondere ist an der Schweißfläche 40 liegt eine Oberfläche 42 des Einsatzes 36 gegenüber dem Aluminiumwerkstück 16 offen, wenn die erste Schweißelektrode 24 mit dem Werkstück 16 in Kontakt gepresst wird. Die offen liegende Oberfläche 42 des Einsatzes 36 bildet somit ein Teilstück der Schweißfläche 40. Das restliche Teilstück der Schweißfläche 40 besteht aus einer Oberfläche des Körpers 38. Der Einsatz 36 kann, muss aber nicht unbedingt, an einem Zentrum der Schweißfläche 40 angeordnet sein, da es möglich ist, dass der Einsatz 36 von dem Zentrum der Schweißfläche etwas versetzt ist. Außerdem kann, wenngleich in 3 nicht explizit gezeigt, die Schweißfläche 40 der ersten Schweißelektrode 24 mit der offen liegenden Oberfläche 42 des Einsatzes 36 Oberflächenmerkmale aufweisen, welche die auf der äußeren Oberfläche des Aluminiumwerkstückes 16 gebildete/n Oxidschicht/en durchdringen. Beispielsweise kann die Schweißfläche 40 strukturiert oder aufgeraut sein oder einen Satz von vorstehenden Ringen aufweisen, falls erwünscht. Beispiele dieser Arten von Oberfläche sind in den U.S.-Patenten Nr. 6 861 609 ; 8 222 560 ; 8 274 010 ; 8 436 269 ; und 8 525 066 , und in der U. S.-Patentanmeldung Nr. 2009/025 5 908 beschrieben.
Die Befestigung zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem Einsatz 36 kann von den Materialien der Komponenten abhängig sein und sollte robust genug sein, um einen automatisierten Schweißbetrieb, der bei Automobil- und anderen Anwendungen typisch ist, auszuhalten. Es gibt vielerlei Möglichkeiten, um die Befestigung des Einsatzes 36 an Ort und Stelle zu sichern, unter anderen eine Presspassung zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem Einsatz 36 oder ein Gewindeeingriff zwischen den beiden. Allerdings kann der Einsatz 36 befestigt eine zylindrische und Scheibenform aufweisen. Und wenngleich er in 3 schematisch im Schnittprofil abgebildet ist, würde der Einsatz 36, wenn man in der Draufsicht direkt auf die Schweißfläche 40 blickt, mit seiner kreisförmigen Form im Inneren der kreisförmigen Form der Schweißfläche 40 erscheinen. Der Durchmesser des Einsatzes 36 ist um 25% bis 80% kleiner als der Durchmesser der Schweißfläche 40. Der Einsatz 36 kann in einigen Beispielen auch ein Breite-zu-Höhe-Aspektverhältnis von ca. 1:1 aufweisen. Gemäß anderen Ausführungsformen sind andere Formen und andere geometrische Aspektverhältnisse möglich.
Das Verfahren zum Widerstandspunktverschweißen der Stahl- und Aluminiumwerkstücke 14, 16 kann mehr, weniger und/oder andere Schritte als die hier beschriebenen umfassen. In der in 3 dargestellten Ausführungsform werden die erste und die zweite Schweißelektrode 24, 28 auf entgegengesetzten Seiten des Stapels 12 und in entgegengesetzter Ausrichtung zueinander gegen das Stahl- und das Aluminiumwerkstück 14, 16 gepresst. Wenn die erste Schweißelektrode 24 gegen das Aluminiumwerkstück 16 gepresst wird, stellen zu Beginn eines elektrischen Stromflusses zwischen den Schweißelektroden 24, 28 sowohl der Einsatz 36 als auch der umgebende Körper 38 einen direkten Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 her. Der Einsatz 36 stellt einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 an einer Grenzfläche – bevorzugt einer kreisförmigen Grenzfläche – her, und der Elektrodenkörper 38 stellt einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 um den Einsatz 36 herum (z. B. eine kreisringförmige Grenzfläche, wenn der Einsatz 36 eine kreisförmige Querschnittsform aufweist) her. Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform tritt der zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem Aluminiumwerkstück 16 hergestellte Oberflächen-Oberflächen-Kontakt an den Stellen 100, 200 in 3 auf und spannt sich kontinuierlich um den Einsatz 36 herum. Überdies kann die Fläche des Oberflächenkontakts zwischen dem umgebenden Elektrodenkörper 38 und dem Aluminiumwerkstück 16 etwa 75% bis etwa 2500% der Fläche des Oberflächenkontakts zwischen dem Einsatz 36 und dem Aluminiumwerkstück 16 ausmachen.
Dann wird ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 24, 28 ausgetauscht und an der Schweißstelle 30 durch das Stahl- und das Aluminiumwerkstück 14, 16 hindurch geleitet. Abhängig von dem Schweißplan kann der elektrische Strom ein konstanter Gleichstrom in einem Bereich von ca. 5 kA und ca. 50 kA sein, oder er kann eine Reihe von Gleichstromimpulsen mit Stromspitzen im Bereich zwischen ca. 5 kA und ca. 50 kA sein. Der elektrische Strom kann über eine Zeitspanne von ca. 40 ms bis ca. 1.000 ms zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 24, 28 durchgeleitet werden. Wenn der elektrische Strom zwischen den Schweißelektroden 24, 28 und über die Stoß-Grenzfläche 32, die zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstück 14, 16 hergestellt ist, hinweg geflossen ist, wird schnell Wärme innerhalb des Stahlwerkstückes 14 und an der Stoß-Grenzfläche 32 erzeugt, was die Initiierung und das Wachsen eines Aluminium-Schweißschmelzbades innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 zur Folge hat. Dieses Aluminium-Schweißschmelzbad benetzt eine benachbarte Oberfläche des Stahlwerkstückes 14 an der Stoß-Grenzfläche 32 und kühlt und erstarrt nach Aufhören des Stromflusses zu einer Aluminium-Schweißlinse 34, welche eine ganze Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 14, 16 oder einen Teil davon bildet.
Man nimmt an, dass das Vorhandensein des Einsatzes 36 in der ersten Schweißelektrode 24 das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades verändert, da es in die Aluminium-Schweißlinse 34 übergeht, um die Akkumulation und Ausbreitung der Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 zu begrenzen oder insgesamt auszuschließen. Wie oben beschrieben, akkumuliert und hält der Einsatz 36 Wärme benachbart zu dem darunter liegenden Teil des Aluminiumwerkstückes 16 zurück. In dem Fall, in dem der Einsatz 36 ein elektrischer Isolator ist, wird der Einsatz 36 mittels Wärmeleitung von dem innerhalb des Aluminiumwerkstückes erzeugten Aluminium-Schweißschmelzbad erwärmt. Und in dem Fall, in dem der Einsatz 36 elektrisch leitfähig ist, wird der Einsatz 36 mithilfe von Wärmeleitung von dem Aluminium-Schweißschmelzbad wie auch des den Stromflusses durch den Einsatz 36 hindurch erwärmt. Die innerhalb des Einsatzes 36 enthaltene zusätzliche Wärme kann aufgrund der niedrigeren thermischen Leitfähigkeit des Einsatzes 36 nicht ohne weiteres an den umgebenden Elektrodenkörper 38 weitergegeben werden. Überdies bewirkt der Einsatz 36, wie oben ebenfalls beschrieben, dass der zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 24, 28 durchgeleitete elektrische Strom ein konisches Fließmuster innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 annimmt, wie durch die gestrichelten Linien 44 dargestellt. Das konische Fließmuster 44 breitet sich von der Stoß-Grenzfläche 32 radial nach außen in Richtung der ersten Schweißelektrode 24 aus. Seine Entwicklung ist auf die höhere elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenkörpers 38 an der Schweißfläche 40 als an der offen liegenden Oberfläche 42 des Einsatzes 36 zurückzuführen.
Die erhöhte Wärme (wenn der Einsatz 36 aus einem Material gebaut ist, das eine gewisse Fähigkeit zeigt, Elektrizität zu leiten), die zurückgehaltene Wärme und das konische Fließmuster 44 wirken zusammen, um die Temperaturverteilung an der Schweißstelle 30 durch Erzeugung dreidimensionaler radialer Temperaturgradienten um das Aluminium-Schweißschmelzbad herum zu ändern. Diese Temperaturgradienten verlangsamen den gerichteten Wärmefluss in die erste Schweißelektrode 24 hinein und helfen dabei, den seitlichen Wärmefluss in das Aluminiumwerkstück 16 hinein zu begünstigen. Das resultierende verbesserte Wärmegleichgewicht und mehr noch die Wärmeverteilung verändern die Kühlwirkung des Aluminium-Schweißschmelzbades, wenn es erstarrt, um die Schweißlinse 34 innerhalb des Aluminiumwerkstückes 16 zu werden, wie nachfolgend mit Bezugnahme auf 4 in näherem Detail beschrieben wird. Die in dem Einsatz 36 zurückgehaltene zusätzliche Wärme sowie die Konzentration von Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 14 (infolge des konischen Fließmusters 44) weist einen weiteren potentiellen Vorteil auf: sie können die Wärmemenge reduzieren, die in dem Stahlwerkstück 14 durch den elektrischen Strom erzeugt werden muss, um das Aluminium-Schweißschmelzbad zu produzieren. Die Größe und/oder Dauer des elektrischen Stromes kann/können somit verringert werden, um die Dicke jeglicher intermetallischer Fe-Al Schicht(en) an der Stoß-Grenzfläche 32 zu versuchen und zu begrenzen.
Nunmehr Bezug nehmend auf die Mikrostrukturen von 4 bewirken die Folgen des Einsatzes 36 auf die Temperaturgradienten um die Schweißnaht aus geschmolzenem Aluminium herum, anders als bei der Erstarrungsfront, die in Richtung der Stoß-Grenzfläche 32 voranschreitet, wie in 2 demonstriert und oben beschrieben, dass das Schweißbad von seinem äußeren Umfang nach innen in Richtung einer zentralen Region abkühlt und erstarrt. Der Weg und die Richtung der Erstarrungsfront sind in 4 allgemein durch gestrichelte Pfeile P dargestellt, und eine Begrenzung der Aluminium-Schweißlinie 34 ist durch gestrichelte Linien B dargestellt. Der Weg P ist in Richtung der zentralen Region der Schweißlinse 34 spitz und die schrägere Begrenzung B steht mehr orthogonal (verglichen mit der in 2 gezeigten) bezüglich der Stoß-Grenzfläche 32 infolge des veränderten Erstarrungsweges.
Der Einsatz 36 erzeugt im Wesentlichen eine Stelle mit einer erhöhten Temperatur innerhalb des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades, die zuletzt erstarrt, und lässt zu, dass sich hier Gasporosität, Schrumpfungshohlräume und andere Schweißfehler D akkumulieren. Da Schweißfehler D, die in dem Aluminium-Schweißschmelzbad vorhanden sind, in Richtung der zentralen Region des Schweißschmelzbades und eventuell der Aluminium-Schweißlinse 34 gezogen oder mitgeführt werden, befinden sie sich weitgehend von der Stoß-Grenzfläche 32 weg, wie abgebildet, oder hauptsächlich an der Stoß-Grenzfläche 32 innerhalb einer zentralen Stelle der Schweißlinse 34. Dieser Abkühl- und Erstarrungsfortschritt ist auch schematisch in 3 und ihren mit Pfeilen versehenen Bildern abgebildet. Das soeben beschriebene und in den 3–4 gezeigte Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades kann außerdem dadurch verstärkt werden, dass der Einsatz 36 nach Aufhören des elektrischen Stromes und während der Einsatz 36 noch heiß ist mit dem Aluminiumwerkstück 16 in Kontakt gehalten wird. Als Ergebnis all dessen wird eine geeignete Abschälfestigkeit aufrechterhalten und die Gesamtfestigkeit und -integrität der hergestellten Fügestelle zwischen den Werkstücken 14, 16 ist sichergestellt.
Nunmehr Bezug nehmend auf 5 ist eine andere Ausführungsform des Einsatzes 36 abgebildet. In dieser Ausführungsform umfasst der Einsatz 36 eine Ummantelung 46. Die Ummantelung 46 umhüllt das innere Stück 48 des Einsatzes 36 teilweise oder vollständig und dient als eine isolierende oder Zwischenbarriere mit einer niedrigen elektrischen/thermischen Leitfähigkeit zwischen dem umgebenden Elektrodenkörper 38 und dem inneren Stück 48. Das innere Stück 48 kann zylindrisch und scheibenförmig sein und kann eine elektrische und eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, die unter oder über 20% der elektrischen Leitfähigkeit (wie durch den IACS definiert) und der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer liegen. Und wenngleich sie in 5 schematisch im Schnittprofil illustriert ist, kann die Ummantelung 46 eine schalenartige Form aufweisen, die eine rückseitige Oberfläche und seitliche Oberflächen des inneren Stücks 48 des Einsatzes 36 umgibt, um das innere Stück 48 physikalisch vollständig von dem Elektrodenkörper 38 zu isolieren.
Die Ummantelung 46 weist die oben für die Ausführungsform von 3 dargelegten elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften und -beziehungen auf. Zum Beispiel kann die Ummantelung 46 aus einem isolierenden Material oder einem Material zusammengesetzt sein, das eine elektrische Leitfähigkeit, die kleiner als 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, wie durch die IACS definiert, ist, und eine thermische Leitfähigkeit, die kleiner als 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist, aufweist. Ein Beispiel für solch ein Material ist Teflon^® (PTFE). Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Ummantelung 46 auch als die Befestigung zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem inneren Stück 48 dienen; beispielsweise kann die Ummantelung 46 aus einem klebenden Material wie z. B. einem Hochtemperatur-Epoxid zusammengesetzt sein. Andererseits kann das innere Stück 48 wesentlich höhere elektrische und thermische Leitfähigkeiten aufweisen, da es durch die Ummantelung 46 von dem Elektrodenkörper 38 isoliert ist, wenngleich dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Beispiele für geeignete Materialien für das innere Stück 48 dieser Ausführungsform umfassen feuerfeste Metalle wie z. B. Molybdän, eine Molybdänlegierung, Wolfram oder eine Wolframlegierung.
Der in 5 gezeigte und soeben beschriebene Einsatz 36 funktioniert ähnlich wie der in 3 abgebildete Einsatz. Wie zuvor stellen, wenn die Schweißfläche 40 der ersten Schweißelektrode 24 mit dem Aluminiumwerkstück 16 in Kontakt gepresst wird, zu Beginn eines elektrischen Stromflusses sowohl das innere Stück 48 des Einsatzes 36 als auch der umgebende Elektrodenkörper 38 einen direkten Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 an der Schweißstelle 30 her. Das innere Stück 48 stellt einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 an einer Grenzfläche – bevorzugt eine kreisförmige Grenzfläche – her, und der Elektrodenkörper 38 stellt einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 um den Einsatz 36 herum (z. B. eine kreisringförmige Grenzfläche, wenn der Einsatz 36 eine kreisförmige Querschnittsform aufweist) her. Die Fläche des Oberflächenkontakts zwischen dem inneren Stück 48 des Einsatzes 36 und dem Aluminiumwerkstück 16 kann auch größer sein als der Bereich des Oberflächenkontakts zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem Aluminiumwerkstück 16. Man nimmt an, dass der Einsatz 36 in dieser Weise verwendet wird, um das Erstarrungsverhalten des Aluminium-Schweißschmelzbades zu verändern, wenn es in die Aluminium-Schweißlinse 34 übergeht, um die Akkumulation und Ausbreitung der Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 32 auf die allgemein gleiche Art und Weise wie zuvor beschrieben zu begrenzen oder insgesamt auszuschließen.
Wenn die erste Schweißelektrode 24 gegen das Aluminiumwerkstück 16 gepresst wird, stellen zu Beginn eines elektrischen Stromflusses zwischen den Schweißelektroden 24, 28 sowohl der Einsatz 36 als auch der umgebende Körper 38 einen direkten Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 her. Der Einsatz 36 stellt einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 an einer Grenzfläche – bevorzugt eine kreisförmige Grenzfläche – her und der Elektrodenkörper 38 stellt einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück 16 um den Einsatz 36 herum (z. B. eine kreisringförmige Grenzfläche, wenn der Einsatz 36 eine kreisförmige Querschnittsform aufweist) her. Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform findet der zwischen dem Elektrodenkörper 38 und dem Aluminiumwerkstück 16 hergestellte Oberflächen-Oberflächen-Kontakt an den Stellen 100, 200 in 3 statt und spannt sich kontinuierlich um den Einsatz 36 herum. Ferner kann der Bereich des Oberflächenkontakts zwischen dem Einsatz 36 und dem Aluminiumwerkstück 16 größer sein als der Bereich des Oberflächenkontakts zwischen dem Körper 38 und dem Aluminiumwerkstück 16.
Die obige Beschreibung bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen und verwandter Beispiele ist rein beschreibender Natur; diese sollen den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendete Ausdrücke soll seine gebräuchliche und übliche Bedeutung haben, es sei denn, in der Patentbeschreibung wird ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes zum Ausdruck gebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6861609 [0025]
US 8222560 [0025]
US 8274010 [0025]
US 8436269 [0025]
US 8525066 [0025]

Claims

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstückes, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel vorgesehen wird, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst; eine erste Schweißelektrode, die dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück allgemein gegenübersteht, und eine zweite Schweißelektrode bereitgestellt werden, die dem Stahlwerkstück allgemein gegenübersteht, wobei die erste Schweißelektrode einen Elektrodenkörper und einen Einsatz, der an oder benachbart zu einer Schweißfläche der ersten Schweißelektrode angeordnet ist, aufweist, wobei der Einsatz zumindest einen Umfangsabschnitt benachbart zu dem umgebenden Elektrodenkörper aufweist, welcher eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, wie durch den IACS definiert, ist, wie auch eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist; die erste und die zweite Schweißelektrode mit entgegengesetzten Seiten des Werkstückstapels in Kontakt gebracht werden, wobei die erste Schweißelektrode einen Kontakt mit dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück herstellt und die zweite Schweißelektrode einen Kontakt mit dem Stahlwerkstück herstellt; und das Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstücke und das Stahlwerkstück widerstandspunktverschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material des Einsatzes ein kohlenstoffarmer Stahl, ein Werkzeugstahl, ein rostfreier Stahl, ein Kupfernickelmetall, ein Hastelloy^®-Metall, ein Inconel^®-Metall, Titan, Niob, Tantal oder Vanadium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einsatz ein elektrischer Isolator ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn die erste und die zweite Schweißelektrode mit entgegengesetzten Seiten des Werkstückstapels in Kontakt gebracht werden, ein erster Bereich des Elektrodenkörpers einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück herstellt und ein zweiter Bereich des Einsatzes einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück herstellt, wobei die erste Fläche 75% bis 2500% der zweiten Fläche ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einsatz eine Ummantelung und ein inneres Stück umfasst, wobei die Ummantelung das innere Stück zumindest teilweise oder vollständig umhüllt, um das innere Stück von dem Elektrodenkörper physikalisch zu isolieren, und wobei die Ummantelung eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer, wie durch den IACS definiert, ist, wie auch eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ummantelung ein klebendes Material ist, das auch das innere Stück an dem umgebenden Elektrodenkörper anbringt.
Widerstandspunktschweiß- und Werkstückstapelanordnung, wobei die Anordnung umfasst: ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück; ein Stahlwerkstück, wobei das Stahl- und das Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück übereinander liegen, um eine Stoß-Grenzfläche zu bilden; eine erste Schweißelektrode, die dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück allgemein gegenübersteht, wobei die erste Schweißelektrode einen Elektrodenkörper und einen Einsatz aufweist, der innerhalb des Elektrodenkörpers eingebettet ist, wobei jeder von dem Elektrodenkörper und dem Einsatz einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück herstellt, wenn die erste Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück gepresst wird; und eine zweite Schweißelektrode, die dem Stahlwerkstück allgemein gegenübersteht; wobei der Elektrodenkörper und der Einsatz aus Materialien gebaut sind, sodass, wenn das Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück und das Stahlwerkstück widerstandspunktverschweißt werden, ein elektrischer Strom ohne Weiteres durch den Oberflächen-Oberflächen-Kontakt zwischen dem Elektrodenkörper und dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück verglichen mit dem Oberflächen-Oberflächen-Kontakt zwischen dem Einsatz und dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück fließt, sodass der elektrische Strom ein konisches Fließmuster in dem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Werkstück annimmt.
Widerstandspunktschweiß- und Werkstückstapelanordnung nach Anspruch 7, wobei der Einsatz zumindest einen Umfangsabschnitt benachbart zu dem umgebenden Elektrodenkörper aufweist, welcher eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, welch geglühtem Kupfer, wie durch den IACS definiert, ist, wie auch eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist.
Widerstandspunktschweiß- und Werkstückstapelanordnung nach Anspruch 7, wobei der Elektrodenkörper aus einer Kupferlegierung zusammengesetzt ist und der Einsatz aus einem kohlenstoffarmen Stahl, einem Werkzeugstahl, einem rostfreiem Stahl, einem Kupfernickelmetall, einem Hastelloy^®-Metall, einem Inconel^®-Metall, Titan, Niob, Tantal, Vanadium oder einem elektrischen Isolator zusammengesetzt ist.
Widerstandspunktschweiß- und Werkstückstapelanordnung nach Anspruch 7, wobei der Einsatz eine Ummantelung und ein inneres Stück umfasst, wobei die Ummantelung das innere Stück zumindest teilweise oder vollständig umhüllt, um das innere Stück von dem Elektrodenkörper physikalisch zu isolieren, und wobei die Ummantelung eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der elektrischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, welch geglühtem Kupfer, wie durch den IACS definiert, ist, wie auch eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die kleiner oder gleich ca. 20% der thermischen Leitfähigkeit von handelsüblichem, reinem, weich geglühtem Kupfer ist.