DE102016006249A1

DE102016006249A1 - Welding electrode for resistance spot welding

Info

Publication number: DE102016006249A1
Application number: DE102016006249.5A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hilpert; Markus Knoeller; Holger Schubert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode (1) zum Widerstandspunktschweißen, mit einem Schweißende (3), das im Betrieb der Schweißelektrode (1) einem zu schweißenden Werkstück zugewandt ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Schweißende (3) an einer dem Werkstück im Betrieb zugewandten Wirkfläche (5) zumindest bereichsweise konkav ausgebildet ist.The invention relates to a welding electrode (1) for resistance spot welding, having a welding end (3) which, during operation of the welding electrode (1), faces a workpiece to be welded. It is provided that the welding end (3) is formed at least partially concave on a working surface (5) facing the workpiece during operation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen.The invention relates to a welding electrode for resistance spot welding.

Es sind Schweißelektroden mit verschiedensten Geometrien, insbesondere mit ebenen oder konvexen Wirkflächen an ihren Schweißenden, bekannt. Insbesondere dann, wenn solche Elektroden zum Widerstandspunktschweißen bei Materialien mit relativ geringem Schmelzpunkt verwendet werden, entstehen Schweißspritzer, die sich einerseits auf einer Oberfläche eines geschweißten Werkstücks und andererseits an der Schweißelektrode ausbreiten und festsetzen können. Das Auftreten von Schweißspritzern ist beispielsweise auch von der Legierungszusammensetzung des geschweißten Materials abhängig. Es lagert sich außerdem auch aufgeschmolzenes Material an der Schweißelektrode ab, was deren Übergangswiderstand und Kontaktform ändert und auch als „Anlegierung” bezeichnet wird. Solche Anlagerungen wie Schweißspritzer und/oder Anlegierungen müssen dann mit relativ hohem Aufwand insbesondere auch von der Schweißelektrode entfernt werden. Weist diese eine komplexere, insbesondere nicht rotationssymmetrische Geometrie auf, kann sie nur mit einem Spezialwerkzeug, nicht jedoch mit einem standardisierten Fräsmesser, insbesondere einem Kappenfräser, zur Entfernung von Anlagerungen bearbeitet werden. Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2015 102 269 U1 geht eine Schweißelektrodenanordnung hervor, bei welcher als Spritzschutz für einen Schaft der Schweißelektrodenanordnung vor Materialspritzern während des Schweißens ein erhabener Rand oder Ringbund vorgesehen ist. Dieser ermöglicht aber weder einen Schutz der Elektrodenkappe selbst vor Schweißspritzern und Anlegierungen, noch erlaubt er für sich genommen eine einfache Nachbearbeitung der Elektrodenkappe selbst. Es ergibt sich in Zusammenhang mit Anlagerungen zusätzlich das Problem einer negativen Beeinträchtigung der Qualitätsüberprüfung/-überwachung beim Schweißen, wobei physikalische Messwerte zur Qualitätsüberwachung beim Schweißprozess aufgezeichnet werden. Insbesondere Schweißspritzer beeinflussen entsprechende Signale negativ.There are welding electrodes with a variety of geometries, in particular with flat or convex active surfaces at their weld ends, known. In particular, when such electrodes are used for resistance spot welding in relatively low melting point materials, spatters are generated which, on the one hand, can spread and settle on a surface of a welded workpiece and on the other hand on the welding electrode. The occurrence of welding spatter, for example, also depends on the alloy composition of the welded material. It also deposits molten material on the welding electrode, which changes their contact resistance and contact form and is also referred to as "alloying". Such deposits such as spatter and / or alloys must then be removed with relatively high cost, especially from the welding electrode. If this has a more complex, in particular not rotationally symmetrical geometry, it can only be processed with a special tool, but not with a standardized milling cutter, in particular a cap cutter, to remove deposits. From the German Utility Model DE 20 2015 102 269 U1 shows a welding electrode arrangement, in which a raised edge or annular collar is provided as splash protection for a shaft of the welding electrode assembly before splashing material during welding. However, this does not allow protection of the electrode cap even against welding spatters and alloys, nor does it in itself allow a simple post-processing of the electrode cap itself. In connection with deposits, there is additionally the problem of a negative impairment of the quality inspection / monitoring during welding, wherein physical Measurements are recorded for quality monitoring during the welding process. In particular, welding spatters negatively affect corresponding signals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißelektrode zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist.The invention has for its object to provide a welding electrode, which does not have the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Schweißelektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by providing a welding electrode having the features of claim 1. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen geschaffen wird, welche ein Schweißende aufweist, das im Betrieb der Schweißelektrode einem zu verschweißenden Werkstück zugewandt ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Schweißende an seiner dem Werkstück im Betrieb zugewandten Wirkfläche zumindest bereichsweise konkav ausgebildet ist. Die Schweißelektrode weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Insbesondere wird der Bereich der mit dem Schweißende beaufschlagten Werkstückoberfläche, in welchem Schweißspritzer gebildet werden können, unmittelbar in dem konkaven Bereich der Wirkfläche aufgefangen und lokalisiert. Dadurch können sich etwaige, beim Schweißen entstehende Schweißspritzer nicht verbreiten, sondern werden vielmehr in vorteilhafter Weise innerhalb der Konkavität der Wirkfläche aufgefangen. Insbesondere für das Pressschweißen, bei welchem die Schweißelektrode gegen das zu schweißende Material angepresst wird, wobei sie insbesondere in die Werkstückoberfläche eindringt und einen spiegelbildlichen Abdruck hinterlässt, ergibt sich Folgendes: Die thermische Ausdehnung beim Schweißen ist in der Schweißpunktmitte am größten, da hier der höchste Druck auf die Schweißelektrode herrscht. Bei bekannten, konvexen Elektrodenkappen ist im äußeren Bereich der Schweißlinse kein Gegendruck durch die Kappe gegeben, das schmelzflüssige Material kann daher nicht in der Fügeebene gehalten werden, sodass Schweißspritzer auftreten. Mit dem zumindest bereichsweise konkaven Schweißende der hier vorgeschlagenen Schweißelektrode kann dagegen der Druck im Zentrum des Schweißpunktes verringert werden, um dafür in einem Randbereich durch einen höheren lokalen Druck des Schweißendes ein Spritzen zu verhindern. Bevorzugt kann also mit der hier vorgeschlagenen Schweißelektrode ein Entstehen von Schweißspritzern verhindert werden. Die Werkstückoberfläche bleibt im Übrigen unbeeinträchtigt, und die Schweißelektrode selbst muss nur sehr lokal, nämlich insbesondere im Bereich der Konkavität der Wirkfläche, gereinigt werden. Somit trägt die zumindest bereichsweise konkave Wirkfläche des Schweißendes der Schweißelektrode zur Verbesserung der Prozessstabilität des Widerstandspunktschweißens bei.The object is achieved in particular by providing a welding electrode for resistance spot welding, which has a welding end which, during operation of the welding electrode, faces a workpiece to be welded. It is provided that the welding end is at least partially concave on its working surface facing the workpiece during operation. The welding electrode has advantages over the prior art. In particular, the area of the workpiece surface acted upon by the welding end, in which welding spatter can be formed, is collected and localized directly in the concave area of the effective area. As a result, any welding spatters produced during welding can not spread, but rather are advantageously absorbed within the concavity of the effective surface. In particular, for the pressure welding, in which the welding electrode is pressed against the material to be welded, in particular penetrating into the workpiece surface and leaves a mirror image impression, the following results: The thermal expansion in welding is greatest in the center of welding point, since here the highest Pressure on the welding electrode prevails. In the case of known, convex electrode caps, there is no counter-pressure through the cap in the outer region of the weld nugget, and therefore the molten material can not be held in the joining plane, so that welding spatter occurs. By contrast, with the at least partially concave welding end of the welding electrode proposed here, the pressure in the center of the welding point can be reduced in order to prevent splattering in an edge region due to a higher local pressure of the welding end. Thus, with the welding electrode proposed here, it is preferably possible to prevent the formation of welding spatters. Incidentally, the workpiece surface remains unimpaired, and the welding electrode itself only has to be cleaned very locally, namely in particular in the region of the concavity of the effective surface. Thus, the at least partially concave active surface of the welding end of the welding electrode contributes to improving the process stability of the resistance spot welding.

Unter einer Schweißelektrode wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, die geeignet ist, ein Werkstück durch Widerstandspunktschweißen zu beaufschlagen, wobei insbesondere mittels der Schweißelektrode ein Schweißpunkt an dem Werkstück, insbesondere auf einer Werkstückoberfläche, gesetzt werden kann. Es ist möglich, dass das Werkstück dabei mit einem anderen, insbesondere darunterliegenden Werkstück verschweißt wird. Die Schweißelektrode kann mehrteilig, insbesondere als Schweißelektrodenanordnung, aber auch einteilig ausgebildet sein.A welding electrode is understood in particular to mean a device which is suitable for applying resistance spot welding to a workpiece, it being possible in particular for a welding point to be set on the workpiece, in particular on a workpiece surface, by means of the welding electrode. It is possible that the workpiece is welded to another, in particular underlying workpiece. The welding electrode can be designed in several parts, in particular as a welding electrode arrangement, but also in one piece.

Unter einem Schweißende der Schweißelektrode wird deren distales, also im Betrieb dem zu beaufschlagenden Werkstück zugewandtes Ende bezeichnet. Dabei wird unter einer Wirkfläche insbesondere diejenige Fläche des Schweißendes verstanden, welche im Betrieb der Schweißelektrode direkt mit dem Werkstück in Kontakt kommt oder zumindest dem Werkstück am nächsten angeordnet ist, wobei der Schweißstrom insbesondere über die Wirkfläche in das Werkstück fließt.Under a welding end of the welding electrode whose distal, so in operation to the referred to acting workpiece facing end. In this case, an active surface is understood to be, in particular, that surface of the welding end which comes into direct contact with the workpiece during operation of the welding electrode or at least is arranged closest to the workpiece, the welding current flowing in particular into the workpiece via the active surface.

Unter dem Begriff „konkav” wird hier insbesondere verstanden, dass die Wirkfläche – mit Blickrichtung auf das Schweißende hin, also insbesondere von einem zu behandelnden Werkstück aus auf die Wirkfläche – eine Einbuchtung, Vertiefung, Aushöhlung oder dergleichen aufweist. Die Wirkfläche ist also insbesondere im Betrieb der Schweißelektrode zumindest bereichsweise von einer Werkstückoberfläche des zu behandelnden Werkstücks weggekrümmt, berührt diese allerdings beim Pressschweißen aufgrund des Anpressdrucks und der sich daraus ergebenden Verformung der Werkstückoberfläche bevorzugt gleichwohl.The term "concave" is understood here in particular that the active surface - with respect to the welding end, ie in particular from a workpiece to be treated on the active surface - a recess, recess, cavity or the like. Thus, the active surface is at least partially curved away from a workpiece surface of the workpiece to be treated, in particular in the operation of the welding electrode, but this touches the pressure welding but preferably due to the contact pressure and the resulting deformation of the workpiece surface.

Die Wirkfläche kann insgesamt konkav ausgebildet sein. Es ist aber möglich, dass sie nur bereichsweise konkav ausgebildet ist, insbesondere in einem radial inneren Bereich.The active surface may be concave overall. However, it is possible that it is concave only partially, in particular in a radially inner region.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der konkave Bereich der Wirkfläche von einem Rand umgriffen ist, der eine Anpressfläche zum Anpressen der Schweißelektrode an ein Werkstück aufweist. Der Rand ist vorzugsweise ebenfalls Teil der Wirkfläche, die in diesem Fall nur in einem radial inneren Bereich konkav ausgebildet ist, wobei in einem radial äußeren Bereich der Rand vorhanden ist, mit dem das Schweißende im Betrieb der Schweißelektrode an eine Werkstückoberfläche angepresst werden kann. Vorzugsweise ist der Rand – in Umfangsrichtung gesehen – umlaufend ausgebildet, wobei er insbesondere den konkaven Bereich der Wirkfläche als Ringfläche umgreift. Die sich im Wesentlichen auf den Rand konzentrierende Anpressfläche bleibt dabei groß genug, um zum einen einen ausreichenden Anpressdruck und zum anderen eine ausreichende elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Insbesondere konzentriert sich der Anpressdruck beim Pressschweißen im Wesentlichen auf den Rand.According to one embodiment of the invention, it is provided that the concave region of the active surface is encompassed by a rim which has a contact surface for pressing the welding electrode against a workpiece. The edge is preferably also part of the active surface, which is concave in this case only in a radially inner region, wherein in a radially outer region of the edge is present, with which the welding end can be pressed during operation of the welding electrode to a workpiece surface. Preferably, the edge - seen in the circumferential direction - circumferentially formed, wherein it surrounds in particular the concave portion of the active surface as an annular surface. The contact surface concentrating essentially on the edge remains large enough to ensure sufficient contact pressure on the one hand and sufficient electrical contact on the other hand. In particular, the contact pressure during pressure welding essentially concentrates on the edge.

Unter einer Längsrichtung wird hier insbesondere eine Richtung verstanden, die sich entlang einer Längserstreckung der Schweißelektrode erstreckt, die im allgemeinen eine Geometrie aufweist, die wesentlich länger ist, als es ihren Abmessungen senkrecht zur Längsachse entspricht. Unter einer Umfangsrichtung wird eine Richtung verstanden, welche die Längsrichtung konzentrisch umgreift. Unter einer radialen Richtung wird eine Richtung verstanden, die senkrecht auf der Längsrichtung steht und diese schneidet.A longitudinal direction is understood here to mean in particular a direction which extends along a longitudinal extension of the welding electrode, which generally has a geometry which is substantially longer than corresponds to its dimensions perpendicular to the longitudinal axis. A circumferential direction is understood to mean a direction which surrounds the longitudinal direction concentrically. A radial direction is understood to mean a direction that is perpendicular to the longitudinal direction and intersects it.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest das Schweißende der Schweißelektrode rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Schweißelektrode insgesamt rotationssymmetrisch ausgebildet. Ist zumindest das Schweißende der Schweißelektrode rotationssymmetrisch ausgebildet, ist diese in äußerst einfacher Weise mittels eines Fräsers reinigbar und/oder bearbeitbar. Insbesondere kann die rotationssymmetrische Form einfach mit einem standardisierten Fräsmesser, insbesondere einem Kappenfräser, gereinigt und/oder nachbearbeitet werden. Dies gilt ganz besonders dann, wenn die Wirkfläche – insbesondere einschließlich sowohl des konkaven Bereichs als auch des Randes – rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Somit können insbesondere Anlagerungen wie Schweißspritzer und/oder Anlegierungen in einfacher und kostengünstiger Weise von dem Schweißende entfernt werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that at least the welding end of the welding electrode is rotationally symmetrical. Particularly preferably, the welding electrode is formed as a whole rotationally symmetrical. If at least the welding end of the welding electrode is rotationally symmetrical, it can be cleaned and / or machined in an extremely simple manner by means of a milling cutter. In particular, the rotationally symmetrical shape can be easily cleaned and / or reworked with a standardized milling cutter, in particular a cap cutter. This is especially true when the active surface - in particular including both the concave portion and the edge - is rotationally symmetrical. Thus, in particular deposits such as spatter and / or alloys can be removed in a simple and cost-effective manner from the welding end.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Schweißelektrode bevorzugt, bei welchem diese mehrteilig ausgebildet ist. Bevorzugt ist dabei das Schweißende als Elektrodenkappe ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine einfache Austauschbarkeit des Schweißendes, wenn dieses verschlissen ist. Es muss dann nicht die gesamte Schweißelektrode ersetzt werden.An embodiment of the welding electrode is preferred in which this is designed in several parts. Preferably, the welding end is designed as an electrode cap. In particular, this embodiment allows a simple interchangeability of the welding end when it is worn. It does not then replace the entire welding electrode.

Die Schweißelektrode ist vorzugsweise eingerichtet zum Widerstandspunktschweißen von Aluminium. Dank der verbesserten Prozessstabilität der hier vorgeschlagenen Schweißelektrode ergeben sich für das Widerstandspunktschweißen ein erhöhtes Material- und Blechdickeneinsatzspektrum, eine verringerte Nacharbeit, größere Elektrodenstandzeiten, sowie ein verringerter Prüfaufwand, beispielsweise für eine Ultraschallprüfung. Es kann so insgesamt für das kostengünstige Fügeverfahren Widerstandspunktschweißen ein größeres Einsatzspektrum eröffnet werden, wobei zugleich höhere Fertigungsstandzeiten und verringerte Nacharbeit sowie eine bessere automatische Prüfbarkeit der Qualität verwirklicht werden.The welding electrode is preferably arranged for resistance spot welding of aluminum. Thanks to the improved process stability of the welding electrode proposed here, the resistance spot welding results in an increased material and sheet thickness spectrum, reduced reworking, longer electrode service life, and reduced testing effort, for example for ultrasonic testing. It can be opened as a whole for the cost-effective joining method resistance spot welding a wider range of applications, at the same time higher production life and reduced reworking and better automatic testability of the quality can be realized.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Details eines Ausführungsbeispiels einer Schweißelektrode.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. The single figure shows a schematic representation of a detail of an embodiment of a welding electrode.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Details eines Ausführungsbeispiels einer Schweißelektrode 1, die eingerichtet ist zum Widerstandspunktschweißen, wobei in der Figur ein Schweißende 3 der Schweißelektrode 1 dargestellt ist. Dieses Schweißende 3 ist im Betrieb der Schweißelektrode 1 einem zu beaufschlagenden Werkstück zugewandt und liegt insbesondere im Betrieb der Schweißelektrode auf einer Werkstückoberfläche auf. Das Schweißende 3 ist an seiner dem Werkstück im Betrieb zugewandten Wirkfläche 5 zumindest bereichsweise, hier insbesondere in einem radial inneren Bereich, konkav ausgebildet, weist also eine Einbuchtung oder Aushöhlung auf.The single figure shows a schematic representation of a detail of an embodiment of a welding electrode 1 , which is adapted for resistance spot welding, wherein in the figure, a welding end 3 the welding electrode 1 is shown. This welding end 3 is in operation of the welding electrode 1 one to act upon Workpiece faces and lies in particular during operation of the welding electrode on a workpiece surface. The welding end 3 is at its the workpiece in operation facing active surface 5 at least partially, in particular in a radially inner region, concave, thus has a recess or cavity.

Dabei wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der konkave Bereich der Wirkfläche 5 von einem Rand 7 umgriffen, der eine Anpressfläche 9 zum Anpressen der Schweißelektrode 1 an ein Werkstück aufweist. Der Rand 7 ist insbesondere – in Umfangsrichtung gesehen – umlaufend um den konkaven Bereich der Wirkfläche 5 vorgesehen.In this case, in the embodiment shown here, the concave region of the active surface 5 from one edge 7 embraced, which is a contact surface 9 for pressing the welding electrode 1 to a workpiece. The edge 7 is in particular - seen in the circumferential direction - circumferentially around the concave portion of the effective surface 5 intended.

Es zeigt sich, dass zumindest das Schweißende 3, vorzugsweise aber die gesamte Schweißelektrode 1, rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse A ausgebildet ist, die bevorzugt zugleich eine Längsachse der Schweißelektrode 1 darstellt und insoweit auch eine axiale Richtung definiert.It turns out that at least the welding end 3 , but preferably the entire welding electrode 1 , is formed rotationally symmetrical about an axis of symmetry A, preferably at the same time a longitudinal axis of the welding electrode 1 represents and also defines an axial direction.

Der konkave Bereich der Wirkfläche 5 kann in besonders bevorzugter Ausgestaltung als Kugelabschnittsfläche, als Abschnittsfläche eines Rotationsellipsoids, oder in anderer geeigneter, insbesondere hochsymmetrischer Weise, ausgebildet sein.The concave area of the effective area 5 In a particularly preferred embodiment, it may be formed as a spherical section surface, as a section surface of an ellipsoid of revolution, or in another suitable, in particular highly symmetrical manner.

Bevorzugt ist die Schweißelektrode 1 mehrteilig ausgebildet. Das Schweißende 3 ist dabei bevorzugt als Elektrodenkappe der mehrteiligen, insbesondere als Schweißelektrodenanordnung ausgebildeten Schweißelektrode 1 ausgebildet.The welding electrode is preferred 1 formed in several parts. The welding end 3 is preferred as an electrode cap of the multi-part, in particular designed as a welding electrode assembly welding electrode 1 educated.

Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier dargestellten Schweißelektrode 1 in einfacher Weise eine Ausbreitung von Schweißspritzern beim Widerstandspunktschweißen vermieden, bevorzugt eine Entstehung von Schweißspritzern sogar verhindert werden kann, wodurch eine Oberfläche eines mit der Schweißelektrode 1 beaufschlagten Werkstücks zumindest weitgehend von Schweißspritzern unbeeinträchtigt bleibt, wobei die Schweißelektrode 1 selbst und insbesondere deren Schweißende 3 in einfacher und kostengünstiger Weise reinigbar und/oder nachbearbeitbar ist.Overall, it turns out that with the welding electrode shown here 1 In a simple way, a spread of welding spatter during resistance spot welding avoided, preferably a formation of weld spatter can even be prevented, whereby a surface of one with the welding electrode 1 acted upon workpiece at least largely unimpaired by welding spatter, wherein the welding electrode 1 itself and in particular its welding end 3 can be cleaned and / or post-processed in a simple and cost-effective manner.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202015102269 U1 [0002]

Claims

Welding electrode ( 1 ) for resistance spot welding, with a welding end ( 3 ), which during operation of the welding electrode ( 1 ) facing a workpiece to be welded, characterized in that the welding end ( 3 ) on a working surface facing the workpiece during operation ( 5 ) is at least partially concave.

Welding electrode ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the concave region of the active surface ( 5 ) from one edge ( 7 ), which is a contact surface ( 9 ) for pressing the welding electrode ( 1 ) to a workpiece.

Welding electrode ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least the welding end ( 3 ) of the welding electrode ( 1 ) is rotationally symmetrical.

Welding electrode ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the welding electrode ( 1 ) is formed in several parts, wherein the welding end ( 3 ) is designed as an electrode cap.