DE102016123555A1

DE102016123555A1 - Schweisselektrode zur verwendung im widerstandspunktschweissen von werkstückstapeln, die ein aluminiumwerkstück und ein stahlwerkstück enthalten

Info

Publication number: DE102016123555A1
Application number: DE102016123555.5A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; David S. Yang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20170157697A1; CN106853548A

Abstract

Eine für Widerstandspunktschweißungs-Anwendungen geeignete Schweißelektrode beinhaltet einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser, der sich zwischen den ersten und zweiten Abschnitten erstreckt und diese verbindet. Der erste Abschnitt beinhaltet eine Schweißfläche und der zweite Abschnitt beinhaltet einen Befestigungssockel, der sich zu einer Innenaussparung mit einer Kühlbehältertasche öffnet. Der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser erstreckt sich zwischen einer Rückseite des ersten Abschnitts und einen Stirnfläche des zweiten Abschnitts derart, dass ein Zwischenraum die vorderen und rückwärtigen Oberflächen voneinander trennt. Der Zwischenraum kann leer sein oder mit einem Material geringer Leitfähigkeit befüllt sein. Die offenbarte Schweißelektrode kann in Kombination mit einer anderen Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels verwendet werden, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück beinhaltet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Widerstandspunktschweißen und insbesondere ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Aluminiumwerkstücks mit einem angrenzenden überlappenden Stahlwerkstück.
HINTERGRUND
Das Widerstandspunktschweißen ist ein von einer Reihe von Industriebereichen verwendetes Verfahren zum Aneinanderfügen von zwei oder mehreren Metallwerkstücken. Die Automobilindustrie verwendet das Widerstandspunktschweißen beispielsweise oft, um vorgefertigte Metallwerkstücke während der Herstellung unter anderem von Türen, Hauben, Kofferraumdeckeln, Heckklappen und/oder Karosserieteilen wie den Karosserieseiten und Querträgern eines Fahrzeugs aneinanderzufügen. Eine Reihe von Punktschweißungen wird typischerweise an verschiedenen Punkten entlang einer Außenkante der Metallwerkstücke oder einem anderen Verbindungsbereich ausgebildet, um zu gewährleisten, dass das Teil strukturell solide ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke – wie Stahl mit Stahl und Aluminium mit Aluminium – zu verbinden, hat der Wunsch, leichtere Materialien in eine Fahrzeugkarosserie zu integrieren, Interesse an einem Zusammenfügen von Werkstücken aus Stahl mit Aluminiumwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen geweckt. Der erwähnte Wunsch, ungleiche Metallwerkstücke durch Widerstandspunktschweißen zu verbinden, ist nicht allein auf die Automobilindustrie beschränkt; tatsächlich erstreckt er sich auf andere Industriezweige, die das Punktschweißen als Verbindungsverfahren nutzen können, wie unter anderem die Flugzeugindustrie, der Schiffbau, die Eisenbahn und das Bauwesen.
Das Widerstandspunktschweißen im Allgemeinen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stroms durch überlappende Metallwerkstücke, um die für das Schmelzschweißen benötigte Wärme zu erzeugen. Zur Durchführung eines solchen Schweißverfahrens wird ein Satz gegenüberliegender Punktschweißelektroden an ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten des Werkstückstapels, der in der Regel aus zwei oder drei in einer überlappenden Konfiguration angeordneten Metallwerkstücken besteht, an einer vorbestimmten Schweißstelle einspannt. Elektrischer Strom wird dann durch die Metallwerkstücke von einer Schweißelektrode zur anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an deren Passschnittstelle(n). Enthält der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück und ein angrenzendes, überlappendes Stahlwerkstück, löst die an der Passschnittstelle und im Rohmaterial dieser ungleichen Metallwerkstücke erzeugte Wärme ein wachsendes Aluminiumschweißschmelzbad aus, das sich von der Passschnittstelle aus in das Aluminiumwerkstück erstreckt. Das Aluminiumschweißschmelzbad benetzt die angrenzende Passfläche des Stahlwerkstücks und erstarrt nach dem Ende des Stromflusses zu einer die Werkstücke aneinander bindenden Schweißverbindung.
In der Praxis ist jedoch das Punktschweißen eines Aluminiumwerkstücks auf ein Stahlwerkstück anspruchsvoll, da sich eine Reihe von Eigenschaften dieser beiden Metalle negativ auf die Festigkeit – und vor allem die Abziehfestigkeit – der Schweißverbindung auswirken kann. Zum einen enthält das Aluminiumwerkstück üblicherweise einen oder mehrere mechanisch zähe, elektrisch isolierende und selbstheilende hitzebeständige Oxidschichten auf seiner Oberfläche. Die Oxidschicht(en) bestehen typischerweise aus Aluminiumoxiden, können aber auch andere Metalloxidverbindungen einschließlich Magnesiumoxide beinhalten, wenn das Aluminiumwerkstück aus einer magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung besteht. Als Ergebnis dieser physikalischen Eigenschaften weisen die hitzebeständigen Oxidschicht(en) eine Tendenz auf, an der Passschnittstelle intakt zu bleiben, wo sie die Fähigkeit des Aluminiumschweißschmelzbades behindern können, das Stahlwerkstück zu benetzen und auch eine Quelle von schnittstellennahen Mängeln im wachsenden Schmelzbad liefern können. Die isolierende Natur der Oberflächenoxidschicht(en) erhöht auch den elektrischen Kontaktwiderstand des Aluminiumwerkstücks – und zwar an seiner Passfläche und an seinem Elektrodenkontaktpunkt – was es schwierig macht, Wärme in dem Aluminiumlegierungswerkstück effektiv zu steuern und zu konzentrieren. Anstrengungen wurden in der Vergangenheit unternommen, um die Oxidschicht(en) vor dem Punktschweißen vom Aluminiumwerkstück zu entfernen. Solche Entfernungspraktiken können allerdings unpraktisch sein, da die Oxidschicht(en) die Fähigkeit aufweisen, sich in Gegenwart von Sauerstoff zu regenerieren, insbesondere beim Einsatz von Wärme bei Punktschweißvorgängen.
Neben den Herausforderungen durch eine oder mehrere Oxidschichten an den Oberflächen des Aluminiumwerkstücks haben das Aluminiumwerkstück und das Stahlwerkstück außerdem unterschiedliche Eigenschaften, die dazu tendieren, das Punktschweißverfahren zu erschweren. Insbesondere weist Aluminium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600 °C) und relativ niedrige elektrische und thermische Widerstände auf, während der Stahl einen relativ hohem Schmelzpunkt (~1500 °C) und relativ hohe elektrische und thermische Widerstände aufweist. Als Ergebnis dieser physikalischen Unterschiede wird der größte Teil der Wärme während des Stromflusses in dem Stahlwerkstück erzeugt. Dieses Wärmeungleichgewicht stellt einen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem Aluminiumwerkstück (niedrigere Temperatur) her, der ein schnelles Schmelzen des Aluminiumwerkstücks auslöst. Die Kombination des Temperaturgradienten, der während des Stromflusses erzeugt wird, mit der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumwerkstücks bedeutet, dass unmittelbar, nachdem der elektrische Strom stoppt, eine Situation auftritt, in der die Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle weg verteilt wird. Stattdessen wird Wärme vom heißeren Stahlwerkstück durch das Aluminiumwerkstück in Richtung der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumwerkstücks geleitet, was einen steilen Temperaturgradienten in dieser Richtung erzeugt.
Es wird davon ausgegangen, dass die Entwicklung eines steilen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumwerkstücks die Integrität der resultierenden Schweißverbindung auf zwei hauptsächliche Weisen schwächt. Erstens, da das Stahlwerkstück nach der Unterbrechung des elektrischen Stroms die Wärme für eine längere Dauer als das Aluminiumwerkstück hält, verfestigt sich das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium gerichtet, beginnend ab dem Bereich, der am nächsten zu der kälteren, mit dem Aluminiumwerkstück verbundenen Schweißelektrode (oft wassergekühlt) liegt und sich in Richtung der Passschnittstelle ausbreitet. Eine Verfestigungsfront dieser Art neigt zu Strömungsdefekten – wie Gasporosität, Schrumpfungshohlräumen, Mikrorissbildungen und Oberflächenoxidrückständen – in Richtung und entlang der Passschnittstelle innerhalb der Schweißverbindung. Zweitens fördert die anhaltend erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Verbindungen an und entlang der Passschnittstelle. Die Verteilung von Schweißfehlern zusammen mit einem exzessiven Wachstum von intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Passschnittstelle neigt dazu, die Abziehfestigkeit der Schweißverbindung zu reduzieren.
Angesichts der oben genannten Herausforderungen haben bisherige Bemühungen, ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück punktzuschweißen, einen Schweißplan verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (im Vergleich zum Punktschweißen von Stahl mit Stahl) angibt, um zu versuchen, eine angemessene Schweißverbindungsfläche zu erhalten. Solche Bemühungen sind in einer Herstellungsumgebung weitgehend erfolglos geblieben und weisen eine Tendenz auf, die Schweißelektroden zu beschädigen. In Anbetracht der Tatsache, dass die bisherigen Punktschweißbemühungen nicht besonders erfolgreich waren, wurden stattdessen überwiegend mechanische Befestigungselemente wie Stanznieten und fließlochformende Schrauben verwendet. Die Anbringung derartiger mechanischer Befestigungselemente dauert jedoch länger und weist gegenüber dem Punktschweißen hohe Materialkosten auf. Sie erhöhen auch das Gewicht der Fahrzeugkarosserie – Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen durch Punktschweißung erfolgt – wodurch ein Teil der Gewichtsersparnis durch das Verwenden von Aluminiumwerkstücken wieder aufgewogen wird. Fortschritte beim Punktschweißen, die das Verfahren geeigneter machen würden, Aluminium- und Stahlwerkstücke zu verbinden, wären somit eine willkommene Ergänzung der Technik.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Eine für Widerstandspunktschweiß-Anwendungen geeignete Elektrode wird offenbart, die einen ersten Abschnitt beinhaltet, einen zweiten Abschnitt und einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser, der sich zwischen den ersten und zweiten Abschnitten erstreckt und sie verbindet. Der erste Abschnitt beinhaltet eine Schweißfläche und der zweite Abschnitt beinhaltet einen Befestigungssockel, der sich zu einer Innenaussparung mit einer Kühltasche öffnet. Der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser erstreckt sich zwischen einer hinteren Fläche des ersten Abschnitts und einer vorderen Fläche des zweiten Abschnitts, sodass ein Zwischenraum die Umfangsrandabschnitte der hinteren und vorderen Oberflächen voneinander trennt. Und um zu gewährleisten, dass elektrischer Strom und Wärme zwischen den ersten und zweiten Abschnitten vorrangig durch den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser geleitet werden, kann der Zwischenraum leer sein (d. h. ein Luftspalt) oder befüllt sein mit einem Material geringer Leitfähigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit und einer thermischen Leitfähigkeit, die geringer sind als eine elektrische Leitfähigkeit und eine thermische Leitfähigkeit jeder der ersten, zweiten und der Abschnitte mit verringertem Durchmesser der Schweißelektrode.
Die Schweißelektrode kann in Verbindung mit einer anderen Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels verwendet werden, der mindestens ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück beinhaltet. Der Werkstückstapel kann auch ein zusätzliches Werkstück wie ein weiteres Aluminium- oder ein weiteres Stahlwerkstück beinhalten, solange die beiden Werkstücke aus derselben Basismetallkomposition nebeneinander angeordnet sind. Während des Punktschweißens wird die Schweißfläche des ersten Abschnitts der offenbarten Schweißelektrode gegen eine erste Seite des Werkstückstapels nahe dem Aluminiumwerkstück gepresst, das dem Stahlwerkstück benachbart liegt und die andere Schweißelektrode wird an eine gegenüberliegende zweite Seite des Stapels nahe dem Stahlwerkstück gepresst. Elektrischer Strom wird dann zwischen den Schweißelektroden und durch den Werkstückstapel zum Bilden eines Schweißbads aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks gebildet, das dem Stahlwerkstück benachbart liegt. Der Durchtritt elektrischen Stroms durch den Werkstückstapel wird eventuell unterbrochen, was das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium zu einer Schweißverbindung verfestigt, die die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke miteinander verbindet.
Es wird angenommen, dass die Verwendung der offenbarten Schweißelektrode positiv zur Festigkeit – insbesondere der Abziehfestigkeit – der gebildeten Schweißverbindung zwischen den benachbarten und überlappenden Aluminium- und Stahlwerkstücken beiträgt. Um sicher zu sein, wird bei Wegfall des elektrischen Stromflusses die Wärme, die innerhalb des ersten Abschnitts der Schweißelektrode erzeugt wurde sowie die Wärme, die sich vom Stahlwerkstück und dem Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium verteilt, aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumwerkstücks in Richtung des zweiten Abschnitts der Schweißelektrode gezogen. Und da Wärme größtenteils nicht den Zwischenraum, der die hinteren und vorderen Oberflächen der ersten und zweiten Abschnitte der Schweißelektrode trennt, überschreitet, fließt sie vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt vorrangig durch den Abschnitt reduzierten Durchmessers über Wärmeleitung. Kanalisieren des leitenden Wärmestroms durch den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser in dieser Weise beeinflusst das Verfestigungsverhalten des Schweißbads aus geschmolzenem Aluminium, da es in die Schweißverbindung übergeht und Schweißdefekte ergibt, die in Richtung der Mitte der Verbindung getrieben werden, wo sie die Festigkeit der Verbindung weniger schädigen können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Schweißelektrode für das Widerstandspunktschweißen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der in 1 gezeigten Schweißelektrode;
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Schweißflächenkonfiguration, die mit der in 1 gezeigten Schweißelektrode verwendet werden kann;
4 ist eine Querschnittsansicht einer Schweißelektrode für das Widerstandspunktschweißen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes Stahlwerkstück beinhaltet, die in überlappender Weise zusammengesetzt und angeordnet sind zwischen einer Punktschweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und einer anderen Schweißelektrode in Vorbereitung zum Widerstandspunktschweißen;
6 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes Stahlwerkstück in überlappender Weise beinhaltet, angeordnet zwischen einer Schweißelektrode gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer anderen Schweißelektrode in Vorbereitung für Widerstandspunktschweißen, obwohl der Werkstückstapel ein zusätzliches Aluminiumwerkstück beinhaltet (d. h. zwei Aluminiumwerkstücke und ein Stahlwerkstück) gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
7 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes Stahlwerkstück im überlappender Weise beinhaltet, angeordnet zwischen einer Schweißelektrode gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer anderen Schweißelektrode in Vorbereitung zum Widerstandspunktschweißen, obwohl der Werkstückstapel nach einer Ausführung der Offenbarung ein zusätzliches Stahlwerkstück beinhaltet (d. h. ein Aluminiumwerkstück und zwei Stahlwerkstücke);
8 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht der in 5 dargestellten Schweißelektrode, die in Verbindung mit der ersten Schweißelektrode (z. B. die in 1 dargestellte Schweißelektrode) zum Widerstandspunktschweißen des Werkstückstapels verwendet werden kann;
9 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der in 5 dargestellten Schweißelektroden beim Durchfließen eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und dem Stapel, worin das Durchfließen elektrischen Stroms das Schmelzen des Aluminiumwerkstücks, das dem Stahlwerkstück benachbart liegt und die Bildung eines Schweißbads aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks bewirkt hat;
10 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des in 5 gezeigten Werkstückstapels und der Schweißelektroden, nachdem der elektrische Strom nach dem Durchfließen zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel beendet ist, sodass das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium sich in eine Schweißverbindung verfestigen kann, die die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke verbindet;
11 stellt die Richtung der Verfestigungsfront in einem Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium dar, das sich von dem Punkt aus, der sich der kälteren Schweißelektrode am nächsten befindet, nahe dem Aluminiumwerkstück in Richtung der Passschnittstelle wie bei konventionellen Punktschweißpraktiken üblich verfestigt; und
12 stellt die Richtung der Verfestigungsfront in einem Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium dar, dass sich von seinem äußeren Umfang her in Richtung seiner Mitte durch Verwendung der Schweißelektrode der vorliegenden Offenbarung verfestigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Schweißelektrode, die in Widerstandspunktschweiß- Anwendungen nützlich ist, wird durch Referenznummer 10 in den Figuren dargestellt. Insbesondere kann die Schweißelektrode 10 zum Punktschweißen eines Werkstückstapels verwendet werden, der mindestens ein Aluminiumwerkstück und ein überlappendes und benachbartes Stahlwerkstück beinhaltet, wie noch näher beschrieben werden wird unter Bezugnahme auf die 5–12. Die Schweißelektrode 10 ist beispielsweise betreibbar, um einen Werkstückstapel „2T“ (5) punktzuschweißen, der nur das benachbarte und überlappende Paar von Aluminium- und Stahlwerkstücken beinhaltet. Andere Werkstückstapel-Konfigurationen sind natürlich auch für das Punktschweißen in ähnlicher Weise zugänglich. Tatsächlich ist die Schweißelektrode 10 auch betreibbar zum Punktschweißen eines „3T”-Werkstückstapels (6–7), der das benachbarte und überlappende Paar Aluminium- und Stahlwerkstücke plus ein zusätzliches Aluminiumwerkstück oder ein weiteres Stahlwerkstück beinhaltet, solange die beiden Werkstücke der gleichen Metallzusammensetzung, d. h. Aluminium oder Stahl, innerhalb des Stapels nebeneinander angeordnet sind (Aluminium-Aluminium-Stahl oder Aluminium-Stahl-Stahl).
Bezugnehmend auf 1 beinhaltet die Schweißelektrode 10 einen ersten Abschnitt 12, einen zweiten Abschnitt 14 und einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16, der sich zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 12, 14 erstreckt und sie verbindet. Diese Abschnitte 12, 14, 16 der Schweißelektrode 10 können einteilig in dem Sinn gebildet sein, dass sie einen einteiligen Gegenstand darstellen und nicht unzerstört voneinander gelöst werden können. In anderen Ausführungsformen sind die Abschnitte 12, 14, 16 der Schweißelektrode 10 jedoch nicht einteilig ausgebildet, sondern einige oder alle Abschnitte 12, 14, 16 sind vielmehr unterschiedliche Komponenten, die durch Presspassung, Laserschweißen oder ein anderes geeignetes Verbindungsverfahren zum Verbinden getrennt hergestellter Gegenstände verbunden werden. Um ausreichend elektrischen Strom und Wärme bei Widerstands-Punktschweißungsanwendungen zu leiten, ist außerdem jeder erste Abschnitt 12, der zweite Abschnitt 14 und der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 45 % bis 100 % IACS (100 % IACS ist gleich 5,80 × 10⁷ S/m) und vorzugsweise von 80 % bis 95 % IACS und einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 180 W/mK gefertigt.
Der erste Abschnitt 12 der Schweißelektrode 10 beinhaltet einen Körper 18 und eine Schweißfläche 20. Der Körper 18 beinhaltet ein vorderes Ende 22 und eine Rückseite 24 gegenüber dem vorderen Ende 22 und weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf. Das vordere Ende 22 hat einen Umfang 220 mit einem Durchmesser 222 und desgleichen hat die Rückseite 24 einen Umfang 240 mit einem Durchmesser 242. Jeder Durchmesser 222, 242 des vorderen Endes 22 und der rückseitigen Fläche 24 liegt jeweils vorzugsweise im Bereich von 12 mm bis 22 mm oder enger im Bereich von 16 mm bis 20 mm. Die Durchmesser 222, 242 des vorderen Endes 22 und der rückseitigen Fläche 24 (und damit ihre zugehörigen Umfänge 220, 240) sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich als Ergebnis der zylindrischen Form des Körpers 18. In anderen Ausführungsformen jedoch können, etwa wenn der Körper 18 nicht zylindrisch geformt ist, die Durchmesser 222, 242 des vorderen Endes 22 und der rückseitigen Fläche 24 unterschiedlich sein.
Die Schweißfläche 20 ist am vorderen Ende 22 des Körpers 18 angeordnet und ist der Abschnitt der Schweißelektrode 10, der eine Seite eines Werkstückstapels unter Druck während des Punktschweißens berührt. Die Schweißfläche 20 hat einen Umfang 200 mit einem Durchmesser 202 und ist auf einer Achse 26 zentriert (in dieser Offenbarung auch als „Schweißflächenachse” bezeichnet). Der Durchmesser 202 der Schweißfläche 20 liegt vorzugsweise im Bereich von 6 mm bis 20 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 8 mm bis 12 mm. Es gibt eine Anzahl verschiedener Wege für das Anordnen der Schweißfläche 20 am vorderen Ende 22 des Körpers 18 bezogen auf die relative Position der Schweißfläche 20. Die Schweißfläche 20 kann beispielsweise direkt vorderen Ende 22 so übergehen, dass der Umfang 200 der Schweißfläche 20 mit dem Umfang 220 des vorderen Endes 22 des Körpers 18 zusammenfällt (bezeichnet als „Vollflächenelektrode”). Als ein weiteres Beispiel kann die Schweißfläche 20 nach oben vorderen Ende 22 des Körpers 18 durch eine Übergangsnase 28 versetzt sein, die vorzugsweise eine kegelstumpfförmige oder eine gekürzte sphärische Form aufweist. Wenn eine Übergangsnase 28 vorhanden ist, können die beiden Umfänge 220, 200 des vorderen Endes 22 des Körpers 18 und die Schweißfläche 20 parallel sein, wie hier in 1 dargestellt, oder sie können winklig sein, dass der Umfang 200 der Schweißfläche 20 in Bezug auf den Umfang 220 des vorderen Endes 22 gekippt ist.
Eine breite Palette von Elektrodenschweißflächen-Ausführungen kann für die Schweißelektrode 10 ausgeführt sein. Die Schweißfläche 20 beinhaltet zum Beispiel eine Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30, die normalerweise eben oder kugelförmig gewölbt sein kann. Ist die Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30 sphärisch gewölbt, steigt sie vom Umfang 200 der Schweißfläche 20 mit einem gekürzten sphärischen Profil an mit einem Krümmungsradius, der vorzugsweise im Bereich von 15 mm bis 300 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 20 mm bis 50 mm liegt. Außerdem kann unabhängig davon, ob sie nominal eben oder sphärisch gewölbt ist, die Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30 glatt oder aufgeraut ausgebildet sein. Die Schweißfläche 20 kann auch einen zentralen Vorsprung wie etwa ein angehobenes Plateau oder einen kugelförmigen Kugelnasenvorsprung um seine Achse 26 beinhalten. Des Weiteren kann die Schweißfläche 20 eine Reihe von aufrecht stehenden konzentrischen Ringen von Stegen beinhalten, die sich von der Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30 auswärts erstrecken wie die in den US-Patenten Nr. 8,222,560 ; 8,436,269 ; 8,927,894 ; oder in US-Patent Pub. 2013/0200048 offenbarten Stege.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Schweißelektrode 10 beinhaltet die Schweißfläche 20 eine Vielzahl von aufrecht stehenden kreisförmigen Stegen 32, die zentriert sind um die Achse 26 der Schweißfläche 20 und diese umgeben wie in 3 dargestellt. Die Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30 besteht zu 50 % oder mehr, vorzugsweise zwischen 50 % und 80 % aus der Oberfläche der Schweißfläche 20. Die verbleibende Oberfläche der Schweißfläche 20 ist der Vielzahl von aufrechtstehenden kreisförmigen Stegen 32 zugeordnet, die vorzugsweise irgendwo zwischen zwei bis zehn Stege 32 beinhaltet oder enger drei bis fünf Stege 32. Die mehreren aufrechten Stege 32 sind radial voneinander auf der Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30 beabstandet, sodass die aufrecht stehenden Stege 32 im Durchmesser größer werden, wenn sie sich innersten aufrecht stehenden Steg 321, der die Achse 26 der Schweißfläche 20 unmittelbar umgibt, zum äußersten aufrecht stehenden Steg 322 bewegt, der sich am nächsten dem Umfang 200 der Schweißfläche 20 befindet.
Die Größe und die Form der aufrecht stehenden kreisförmigen Stege 32 sind zur Verbesserung der mechanischen Stabilität ausgelegt und verringern den elektrischen und thermischen Kontaktwiderstand an der Verbindungsstelle Elektrode/Werkzeug, während sie gleichzeitig leicht zurückzuschieben sind. In einer Ausführungsform hat, wie gezeigt, jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Stege 32 einen geschlossenen Umfang, d. h., der Umfang des Steges 32 ist nicht durch signifikante Trennungen unterbrochen, mit einem Querschnittsprofil, das keine scharfen Ecken aufweist und eine gekrümmte (wie in 3 dargestellt) oder eine flache obere Oberfläche aufweist. Jeder der kreisförmigen Stege 32 weist ebenfalls eine Steghöhe 320 auf – gemessen am Mittelpunkt des Stegs 32 – die sich nach oben erstreckt und von der Basis-Schweißflächen-Oberfläche 30 positiv versetzt ist, wenn sie im Querschnitt betrachtet wird. Die Steghöhe 320 jedes Stegs 32 beträgt vorzugsweise 20 µm bis 400 µm oder enger 50 µm bis 300 µm. Und der Abstand der Stege 32, gemessen zwischen der Mitte der Stege 32, liegt vorzugsweise im Bereich 50 µm bis 1800 µm oder enger 80 µm bis 1500 µm.
Der zweite Abschnitt 14 der Schweißelektrode 10 beinhaltet einen Körper 34 mit einem Befestigungsträger 36 an einer Rückseite 38 und einer vorderen Stirnfläche 40 gegenüber der Rückseite 38. Und ebenso wie der Körper 18 des ersten Abschnitts 12 weist der Körper 34 des zweiten Abschnitts 14 vorzugsweise eine zylindrische Form auf. Die Rückseite 38 hat einen Umfang 380 mit einem Durchmesser 382 und, ebenfalls, der vorderen Fläche 40 hat einen Umfang 400 mit einem Durchmesser 402. Jeder der Durchmesser 382, 402 der Rückseite 38 und der vorderen Stirnfläche 40 liegen vorzugsweise im Bereich 12 mm bis 22 mm oder enger im Bereich 16 mm bis 20 mm. Die Durchmesser 382, 402 der Rückseite 38 und der vorderen Stirnfläche 40 (und damit ihre zugehörigen Umfänge 380, 400) sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich als Ergebnis der zylindrischen Form des Körpers 34. In anderen Ausführungsformen jedoch können, wenn etwa der Körper 34 nicht zylindrisch geformt ist, die Durchmesser 382, 402 der Rückseite 38 und der vorderen Stirnfläche 40 unterschiedlich sein.
Der Befestigungsträger 36 am rückwärtigen Ende 38 des zweiten Abschnitts 14 stützt die Befestigung der Schweißelektrode 10 an eine Schweißzange. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie am besten in 1 dargestellt, definiert der Befestigungsträger 36 eine Öffnung 42 zu einer zugreifbaren Innenaussparung 44, die von einer umlaufenden Außenwand 46 des Körpers 34 umgeben ist. Die Öffnung 42 hat einen Durchmesser, der vorzugsweise im Bereich 10 mm bis 20 mm oder enger im Bereich 14 mm bis 18 mm liegt. Die Innenaussparung 44 ist durch eine oder mehrere innere Seitenwände 48 definiert, die sich von der Öffnung 42 in Richtung einer oder mehrerer Bodenwände 50 erstrecken, die eine Tiefe 52 der Aussparung 44 errichten. Die eine oder mehreren inneren Seitenwände 48 stellen die Innenaussparung 44 mit einem Durchmesser 440 innerhalb des Körpers 34 bereit, die konstant oder variabel sein können, da sich die Seitenwände 48 in Richtung der Tiefe 52 der Aussparung 44 hin erstrecken. Die eine oder mehreren inneren Seitenwände 48 verjüngen sich beispielsweise, wie hier in 1 gezeigt, nach innen derart, dass der Durchmesser 440 der Innenaussparung 44 am Übergang der einen oder mehreren Seitenwände 48 und der einen oder mehreren Bodenwände 50 überall 1 % bis 3 % kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung 42.
Ein Teil der Innenaussparung 44 nahe der vorderen Stirnfläche 40 des Körpers 34 des zweiten Abschnitts 14 dient als Kühltasche 54 für die Schweißelektrode 10. Die Kühltasche 54 erhält einen Strom von Kühlmittel – typischerweise Wasser – während der Widerstandspunktschweißvorgänge, um Wärme von der Schweißfläche 20 abzuführen. Die Fähigkeit zur Extraktion von Wärme aus der Schweißfläche 20 hilft Abbaumechanismen entgegenzuwirken (z. B. Aufbau von Verschmutzung und plastische Verformung), die an der Schweißfläche 20 beim Punktschweißen auftreten können und als Ergebnis die Arbeitslebensdauer der Schweißelektrode 10 erhalten und die Notwendigkeit zum Reparieren der Schweißfläche 20 verringern kann. Die hier in 1 dargestellte Kühltasche 54 ist durch eine oder mehrere Bodenwände 50 und einen Abschnitt der einen oder mehrerer innerer Seitenwände 48 gebunden, die sich einen Teil des Weges von der/den unteren Wand/Wänden 50 zu der Öffnung 42 der Innenaussparung 44 erstrecken. Die eine oder mehreren Bodenwände 50 in dieser Ausführungsform verjüngen sich außerdem nach innen von einer oder mehreren Seitenwänden 48 herab auf die Tiefe 52 der Innenaussparung 44 zum Definieren einer konischen Schale 56. Die konische Schale 56 bildet den Bereich der Kühltasche 54 am nächsten zu der vorderen Stirnfläche 40 des Körpers 34.
Zum Befestigen der Schweißelektrode 10 an einer Schweißzange kann der Befestigungssockel 36 des zweiten Abschnitts 14 an einem Schaftadapter 58 gesichert werden (als Phantom in 1 gezeigt), der durch einen Schweißzangenarm getragen wird. Der Schaftadapter 58 beinhaltet wie gezeigt eine Außenschale 60 mit einer nach innen gerichteten Verjüngung, die mit der nach innen gerichteten Verjüngung der einen oder mehreren inneren Seitenwände 48 der Innenaussparung 44 zusammenpasst. Die komplementäre Montageart der Außenschale 60 und der Innenaussparung 44 ermöglicht die die Aufnahme der Außenschale 60 durch die Öffnung 42 und das reibende Eingreifen der einen oder mehreren inneren Seitenwände 48. Die Außenschale 60 und die eine oder mehreren inneren Seitenwände 48 sind zwangsweise in entgegengesetzte Richtungen voneinander geschoben, um ein vorderes Ende 62 der Außenschale 60 in die Innenaussparung 44 und in Richtung dessen Tiefe 52 vorzurücken. Ein solcher erzwungener kraftschlüssiger Vorschub der Außenschale 60 stellt eine Presspassung bereit, die verhindert, die sowohl axiale und Drehbewegung zwischen dem Schaftadapter 58 und der Innenaussparung 44 während der Punktschweißanwendungen verhindert. Selbstverständlich können andere Techniken zum Befestigen des Schaftadapters 58 innerhalb der Innenaussparung 44 zusätzlich zu oder anstelle einer oben beschriebenen Presspassung verwendet werden.
Die Kühltasche 54 ist wie oben erörtert durch eine oder mehrere Bodenwände 50 und den Abschnitt der einen oder mehreren inneren Seitenwände 48 befestigt, die sich einen Teil des Wegs von der/dem unteren Wand/Wände 50 zu der Öffnung 42 der Innenaussparung 44 erstrecken. Die Kühltasche 54 ist ebenfalls quer über die Innenaussparung 44 von der Stirnseite 62 des Schaftadapters 58 befestigt, sobald der Schaftadapter 58 in die Innenaussparung 44 eingesetzt und an dem Befestigungsträger 36 befestigt ist. Auf diese Weise kann eine Strömung 64 der Kühlflüssigkeit in die Kühltasche 54 durch eine Kühlflüssigkeitszuleitung 66 geleitet werden, die innerhalb einer internen Bohrung 68 angeordnet und durch die äußere Schale 60 des Schaftadapters 58 definiert ist. Ein ringförmiger Raum 70 der Innenbohrung 68, der fluidisch mit der Kühltasche 54 kommuniziert und die Kühlflüssigkeitszuleitung 66 umgibt, arbeitet als Flüssigkeitsrücklaufkanal; d. h, wenn die Strömung 64 der Kühlflüssigkeit in die Kühltasche 54 eintritt, wird ein Ausströmen von Kühlflüssigkeit 72 aus der Kühltasche 54 in den Flüssigkeitsrücklaufkanal erzwungen, wo es (zusammen mit aufgenommener Wärme) von der Schweißelektrode 10 weg befördert wird.
Der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 erstreckt sich zwischen der Rückseite 24 des ersten Abschnitts 12 und der vorderen Stirnfläche 40 des zweiten Abschnitts 14 zum Verbinden der ersten und zweiten Abschnitte 12, 14 zusammen. Der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 hat einen Durchmesser 160, der jeweils kleiner als jeder Durchmesser 242, 402 der Rückfläche 24 des ersten Abschnitts 12 und der vorderen Stirnfläche 400 des zweiten Abschnitts 14 ist, und erstreckt sich vorzugsweise zwischen einer Mitte der rückseitigen Oberfläche 24 und einer Mitte der vorderen Stirnfläche 40. Ein Umfangsrandabschnitt 74 der Rückfläche 24 des ersten Abschnitts 12 und ein peripherer Randabschnitt 76 der vorderen Stirnseite 40 des zweiten Abschnitts 14 sind somit durch einen Zwischenraum 78 voneinander getrennt. Und um zu gewährleisten, dass elektrischer Strom und Wärme zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 12, 14 vorrangig durch den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 geleitet werden, kann der Zwischenraum 78 leer sein (d. h. ein Luftspalt) oder mit einem Material geringer Leitfähigkeit 80 (4) mit einer elektrischen Leitfähigkeit und eine thermischen Leitfähigkeit sein, die kleiner als die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von jedem jeweils ersten, zweiten und dem Abschnitt mit verringertem Durchmesser 12, 14, 16 der Schweißelektrode 10 sind. Zusätzlich wird zum besten Beeinflussen des Schweißbadverfestigens, wie noch näher beschrieben wird, der Durchmesser 160 des Abschnitts mit reduziertem Durchmessers 16 zum Bereitstellen des Abschnitts mit reduziertem Durchmesser 16 mit einer Querschnittsfläche von weniger als 80 % und vorzugsweise weniger als 50 % der größeren Querschnittsfläche der Rückseite 24 und der Querschnittsfläche der vorderen Stirnfläche 40 gewählt.
Der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 kann eine Vielzahl von Ausführungsformen annehmen, die folglich die Form und die Symmetrie des Zwischenraums 78 zwischen den umlaufenden Randabschnitten 74, 76 der hinteren und vorderen Flächen 24, 40 beeinflussen können. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 in der Form zylindrisch und erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Schweißflächenachse 26 zwischen den Mitten der hinteren und vorderen Flächen 24, 40. Wenn der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 derart konfiguriert ist, sind die hinteren und vorderen Flächen 24, 40 der ersten und zweiten Abschnitte 12, 14 dem Anschein nach ausgerichtet, wodurch der Umfangsrandabschnitt 74 der Rückfläche 24 und der Umfangsrandabschnitt 76 der vorderen Fläche 40 voneinander entlang der Schweißflächenachse 26 beabstandet und der Zwischenraum 78, der sie trennt, ein Ringspalt ist. Die Umfangsrandabschnitte 74, 76 können entlang der Schweißflächenachse 26 durch eine Entfernung beabstandet sein, die vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm oder enger von 1 mm bis 5 mm reicht. Die Durchmesser 242, 402 der hinteren und vorderen Flächen 24, 40 können auch untereinander gleich sein und die entsprechenden Umfänge 240, 400 dieser Flächen 24, 40 können diametral ausgerichtet ausgerichtet sein wie gezeigt.
Der erste Abschnitt 12, der zweite Abschnitt 14 und der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 kann aus einer Vielzahl von Werkstoffen gefertigt sein, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 45 % IACS und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 180 W/mK aufweisen. Einige Materialklassen, die unter dieses Kriterium fallen, beinhalten eine Kupferlegierung und ein hochschmelzendes Material, das mindestens 35 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% eines elementaren hochschmelzenden Metalls beinhaltet. Spezifische Beispiele für geeignete Materialien beinhalten eine Kupfer-Zirkon-Legierung, eine Kupfer-Chrom-Legierung, eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung und einen hochschmelzenden Metallverbundwerkstoff, der eine teilchenförmige Phase aus Molybdän oder Wolfram beinhaltet. Wenige bestimmten und bevorzugte Materialien beinhalten eine Zirkon-Kupfer-Legierung (CuZr), die 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Zirkon und Kupfer als Saldomaterial beinhaltet, und einen Wolfram-Kupfer-Metallverbundwerkstoff, der zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% einer teilchenförmigen Phase aus Wolfram, dispergiert in einer Kupfermatrix, die das Saldomaterial bildet (zwischen 50 Gew.-% und 10 Gew.-%). Andere Materialien, die hier nicht ausdrücklich aufgeführt sind und die die jeweiligen elektrischen und thermischen Leitfähigkeitstandards erfüllen, können natürlich ebenfalls verwendet werden.
Bezugnehmend nun auf 4 ist eine Ausführungsform der Schweißelektrode 10 dargestellt, bei der der Zwischenraum 78 den Umfangsrandabschnitt 74 der Rückfläche 24 des ersten Abschnitts 12 und den Umfangsrandabschnitt 76 der Vorderseite 40 des zweiten Abschnitts 14 mit dem Material geringer Leitfähigkeit 80 gefüllt ist. Wie bereits erwähnt sind sowohl die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit geringer Leitfähigkeit 80 geringer als die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit jeder der ersten, zweiten und der Abschnitte mit verringertem Durchmesser 12, 14, 16 der Schweißelektrode 10. Dies hilft zu sichern, dass Wärme und elektrischer Strom zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 12, 14 der Schweißelektrode 10 vorrangig durch den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 geleitet werden. Eine Vielzahl von Materialien ist als Material mit geringer Leitfähigkeit 80 verwendbar. Einige nennenswerte Beispiele beinhalten Metalle und Legierungen mit niedriger elektrischer/Wärme-Leitfähigkeit wie Niedrig-Kohlenstoffstähle, Werkzeugstahl, Edelstählen, Kupfer-Nickel-Metalle, Hastelloy^®-Metalle, Inconel^®-Metalle, Titan. Weitere geeignete Beispiele seien elektrische Isolatoren wie Aluminiumoxid, pyrogene Kieselsäure, Cordierit, Porzellane, und Polytetrafluorethylen (z. B. Teflon^®).
Bezugnehmend auf die 5–12 kann die Schweißelektrode 10 dazu verwendet werden, einen Werkstückstapel 90 widerstandspunktzuschweißen, der mindestens ein Aluminiumwerkstück 92 und ein Stahlwerkstück 94 umfasst, die überlappen und auf einer Schweißseite 96 liegen. Tatsächlich ist, wie nachfolgend näher beschrieben, das offenbarte Punktschweißverfahren breit anwendbar auf Werkstückstapel-Ausführungsformen, die das benachbarte Paar Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 beinhalten. Der Werkstückstapel 90 kann beispielsweise nur das Aluminiumwerkstück 92 und das Stahlwerkstück 94 beinhalten oder er kann alternativ ein zusätzliches Aluminiumwerkstück (Aluminium-Aluminium-Stahl) oder ein weiteres Stahlwerkstück (Aluminium-Stahl-Stahl) beinhalten, solange die beiden Werkstücke aus der gleichen Basismetallkomposition, d. h. Aluminium oder Stahl, nebeneinander angeordnet 90 sind. Die Stahl- oder Aluminiumwerkstücke 92, 94 können außerdem bearbeitet oder verformt worden sein, ehe oder nachdem sie zum Werkstückstapel 90 zusammengefügt werden, je nachdem, welches Teil hergestellt wird und wie die Einzelheiten des Fertigungsprozesses dieses bestimmten Teils aussehen.
Der Werkstückstapel 90 ist in 5 zusammen mit der oben angegebenen Schweißelektrode 10 dargestellt, (hier als „erste Schweißelektrode” zum Zwecke der Identifikation bezeichnet) und einer zweiten Schweißelektrode 98, die mechanisch und elektrisch auf einer Schweißzange angeordnet sind (teilweise dargestellt). Der Werkstückstapel 90 hat eine erste Seite 100 und eine zweite Seite 102, die für einen Satz Schweißelektroden 10, 98 an der Schweißseite 96 zugänglich sind. Hier in dieser Ausführungsform, in der der Werkstückstapel 90 nur die beiden Werkstücke 92, 94 beinhaltet, stellt das Aluminiumwerkstück 92 die erste Seite 100 des Stapels 90 bereit und das Stahlwerkstück 94 stellt die zweite Seite 102 bereit. Ausführungsformen, in denen der Werkstückstapel 90 ein zusätzliches drittes Werkstück (entweder Aluminium oder Stahl) beinhaltet, werden nachstehend in Verbindung mit den 6–7 beschrieben. Und während in den Figuren nur eine Schweißstelle 96 dargestellt ist, werden es Fachleute begrüßen, dass Punktschweißen an verschiedenen unterschiedlichen Schweißstellen am selben Werkstückstapel 90 ausgeführt werden kann.
Das Aluminiumwerkstück 92 beinhaltet ein Aluminiumsubstrat, das entweder beschichtet oder unbeschichtet (d. h. blank) ist. Das Aluminiumsubstrat kann aus elementarem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 Gew% Aluminium beinhaltet. Einige namhafte Aluminiumlegierungen, die das beschichtete oder unbeschichtete Aluminiumsubstrat ausmachen können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silicium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Falls beschichtet, beinhaltet das Aluminiumsubstrat bevorzugt eine Oberflächenschicht aus seine(r)(n) natürlichen hitzebeständigen Oxidschicht(en) oder es kann alternativ eine Oberflächenschicht aus Zink, Zinn oder eine Metalloxidumwandlungsschicht beinhalten, die Oxide von Titan, Zirkon, Chrom oder Silicium wie in US2014/0360986 beschrieben umfasst. Unter Berücksichtigung der Dicke des Aluminiumsubstrats und jeglicher optionalen vorhandenen Beschichtung hat das Aluminiumwerkstück 92 eine Dicke 920, die in einem Bereich von 0,3 mm bis ungefähr 6,0 mm oder enger von 0,5 mm bis 3,0 mm liegt, zumindest an der Schweißstelle 96.
Das Aluminiumsubstrat des Aluminiumwerkstücks 92 kann in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt werden. Das Aluminiumsubstrat kann beispielsweise aus einer Aluminiumknetlegierung der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx als Folienschicht, Strangpressstück, Schmiedestück oder anderes Formteil bestehen. Alternativ kann das Aluminiumsubstrat kann aus einem Aluminiumlegierungsgussstück der Serie 4xx.x, 5xx.x, 6xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminium, die das Aluminiumsubstrat bilden können, sind unter anderem, aber ohne Einschränkung, die AA5754-Aluminium-Magnesium-Legierung, die AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung und die AA7003-Aluminium-Zink-Legierung sowie die Aluminiumdruckgusslegierung Al-10Si-Mg. Die Aluminiumsubstrat kann ferner zu einer Vielzahl von Werkstoffzuständen weiter verarbeitet werden, einschließlich getempert (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T), falls gewünscht. Der Begriff „Aluminiumwerkstück“ umschließt somit elementares Aluminium und eine große Vielfalt von Aluminiumlegierungssubstraten, ob beschichtet oder unbeschichtet, in unterschiedlichen punktschweißbaren Formen, einschließlich Knetfolienschichten, Strangpresstücken, Schmiedestücken usw. sowie Gussstücken und er beinhaltet des Weiteren diejenigen, die eine dem Schweißen vorgelagerte Behandlung wie Glühen, Kaltverfestigen und Lösungsglühen erhalten haben.
Das Stahlwerkstück 94 beinhaltet ein Stahlsubstrat, das beschichtet oder unbeschichtet (d. h. blank) sein kann. Das beschichtete oder unbeschichtete Stahlsubstrat kann aus einer Vielzahl von Stählen, einschließlich Baustahl, IF (Interstitial-Free) Stahl, einbrennhärtbarem Stahl, hochfestem und niedriglegiertem (HSLA) Stahl, Zweiphasen-Stahl (DP), Komplexphasen-Stahl (CP), martensitischem (MART) Stahl, TRIP-Stahl (TRIP – Transformation-Induced Plasticity) und pressgehärtetem Stahl (PHS) bestehen. Falls beschichtet, beinhaltet das Stahlsubstrat vorzugsweise eine Oberflächenschicht aus Zink, Zink-Eisen-Legierung (wärmebehandelt nach dem Verzinken), eine Zink-Nickel-Legierung, Nickel, Aluminium oder eine Aluminium-Silicium-Legierung. Der Begriff „Stahlwerkstück“ umschließt somit eine große Vielfalt von Stahlsubstraten, ob beschichtet oder unbeschichtet, unterschiedliche Grade und Festigkeiten und er beinhaltet weiterhin diejenigen, die eine dem Schweißen vorgelagerte Behandlung wie Glühen, Abschrecken, und/oder Tempern erhalten haben wie bei der Herstellung von pressgehärtetem Stahl. Unter Berücksichtigung der Dicke des Stahlsubstrats und jeglicher optionaler vorhandener Beschichtung hat das Stahlwerkstück 94 eine Dicke 940, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm oder enger von 0,6 mm bis 2,5 mm zumindest an der Schweißstelle 96 liegt.
Wenn die beiden Werkstücke 92, 94 im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform für das Punktschweißen gestapelt sind, beinhaltet das Aluminiumwerkstück 92 eine Passschnittstelle 104 und eine äußere Mantelfläche 106 und das Stahlwerkstück 94 beinhaltet entsprechend eine Passschnittstelle 108 und eine äußere Mantelfläche 110 wie am besten in 5 gezeigt. Die Passoberflächen 104, 108 der beiden Werkstücke 92, 94 überlappen und sind miteinander in Kontakt, um eine Passschnittstelle 112 zu bilden, die sich durch die Schweißstelle 96 erstreckt. Andererseits sind die äußeren Mantelflächen 106, 110 des Aluminium- und Stahlwerkstücks 92, 94 andererseits generell einander an der Schweißstelle 96 in entgegengesetzten Richtungen gegenseitig abgewandt und bilden die erste und zweiten Seite 100, 102 des Werkstückstapels 90. Der Abstand zwischen der jeweiligen Passoberfläche 104, 108 und den äußeren Mantelflächen 106, 110 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 bestimmt die Dicke 920, 940 für jedes der Werkstücke 92, 94.
Der Begriff „Passschnittstelle 112“ wird in der vorliegenden Offenbarung breit verwendet und soll Fälle von direktem und indirektem Kontakt zwischen den Passflächen 104, 108 der Werkstücke 92, 94 umschließen. Die Flächen 104, 108 sind in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physisch aneinander anliegen und nicht durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind. Die Flächen 104, 108 sind in indirekten Kontakt miteinander, wenn sie durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind – und somit nicht die Art von umfassendem physischem grenzflächigem Anliegen erfahren wie beim direkten Kontakt – aber dennoch nahe genug beieinander sind, dass das Widerstandspunktschweißen trotzdem ausgeführt werden kann. Indirekter Kontakt zwischen den Flächen 104, 108 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 ergibt sich typischerweise, wenn eine optionale zwischenliegende Materialschicht (nicht dargestellt) zwischen den Flächen 104, 108 aufgebracht wurde, bevor die Werkstücke 92, 94 gegenseitig überlagert werden während des Bildens der Werkstückstapel 90.
Eine dazwischenliegende Materialschicht, die zwischen den Passflächen 104, 108 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 vorhanden sein kann, ist ein ungehärteter, noch wärmehärtbarer struktureller Klebstoff. Solch ein dazwischenliegendes Material weist typischerweise eine Dicke von 0,1 mm bis 2,0 mm auf, was ein Punktschweißen durch die Zwischenschicht ohne große Schwierigkeit erlaubt. Ein solcher Klebstoff kann zwischen den Passflächen 104, 108 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 aufgebracht sein, sodass der Werkstückstapel 90 nach dem Punktschweißen in einem ELPO-Ofen oder einer anderen Vorrichtung erwärmt werden kann, um den Klebstoff zu härten und eine zusätzliche Haftung zwischen den Werkstücken 92, 94 bereitzustellen. Ein Beispiel für einen geeigneten wärmehärtbaren Klebstoff ist ein wärmehärtbares Epoxidharz, das Füllstoffpartikel wie Silicapartikel enthalten kann, um die Viskosität oder andere mechanische Eigenschaften des gehärteten Klebstoffs zu modifizieren. Eine Vielzahl von wärmehärtbaren Epoxidharzen sind handelsüblich, einschließlich DOW Betamate 1486, Henkel 5089 und Uniseal 2343. Andere Arten von Materialien können anstelle eines wärmehärtbaren Klebstoffs die dazwischenliegende organische Materialschicht bilden.
Selbstverständlich beschränkt sich, wie in den 6–7 dargestellt, der Werkstückstapel 90 nicht auf die Einbeziehung nur des Aluminiumwerkstücks 92 und des Stahlwerkstücks 94. Der Werkstückstapel 90 kann auch ein zusätzliches Aluminiumwerkstück oder ein zusätzliches Stahlwerkstück – zusätzlich zu den angrenzenden Stahl- und Aluminiumwerkstücken 92, 94 – beinhalten, solange das zusätzliche Werkstück benachbart zu dem Werkstück 92, 94 aus derselben Basismetallkomposition benachbart angeordnet ist; d. h. jedes zusätzliche Aluminiumwerkstück wird an das Aluminiumwerkstück 92 angrenzend angeordnet und jedes zusätzliche Stahlwerkstück wird an das Stahlwerkstück 94 angrenzend angeordnet. Was die Eigenschaften jeglicher zusätzlicher Werkstücke anbetrifft, so sind die Beschreibungen des Aluminiumwerkstücks 92 und des Stahlwerkstücks 94, die vorstehend bereit gestellt werden, auf jedes zusätzliche Stahl- oder Aluminiumwerkstück anwendbar, das in den Werkstückstapel 90 einbezogen werden könnte. Es sollte gleichwohl angemerkt werden, dass es, während dieselben allgemeinen Beschreibungen gelten, es nicht erforderlich ist, dass die beiden Aluminiumwerkstücke oder die beiden Stahlwerkstücke eines Stapels aus drei Werkstücken hinsichtlich der Zusammensetzung, Dicke oder Form (z. B. geschmiedet oder gegossen) identisch sind.
Wie beispielsweise in 6 gezeigt, kann der Werkstückstapel 90 die oben beschriebenen angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 mit einem weiteren Aluminiumwerkstück 114 beinhalten. Hier überlappt, wie gezeigt, das zusätzliche Aluminiumwerkstück 114 mit den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 92, 94 und ist an das Aluminiumwerkstück 92 angrenzend angeordnet. Wenn das zusätzliche Aluminiumwerkstück 114 derart angeordnet ist, bildet die äußere Mantelfläche 110 des Stahlwerkstücks 94 wie bisher die zweite Seite 102 des Werkstückstapels 90 und grenzt sie ab, während das Aluminiumwerkstück 92, das an das Stahlwerkstück 94 angrenzt, nun ein Paar von gegenüberliegenden Passflächen 104, 116 beinhaltet. Die Passfläche 104 des Aluminiumwerkstücks 92, welche der angrenzenden Passfläche 108 des Stahlwerkstücks 94 gegenübersteht und sie (direkt oder indirekt) kontaktiert, stellt die Passschnittstelle 112 zwischen den beiden Werkstücken 92, 94 her wie zuvor beschrieben. Die andere Passfläche 116 des Aluminiumwerkstücks 92 steht einer Passschnittstelle 118 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 114 gegenüber und steht in überlappendem (direktem oder indirektem) Kontakt mit dieser. In diesem Sinne bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 92, 94, 114 eine äußere Mantelfläche 120 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 114 nun die erste Seite 100 des Werkstückstapels 90 und grenzt sie ab.
In einem anderen Beispiel kann wie in 7 gezeigt der Werkstückstapel 90 die oben beschriebenen angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 zusammen mit einem weiteren Stahlwerkstück 122 beinhalten. Hier überlappt wie gezeigt das zusätzliche Stahlwerkstück 122 mit den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 92, 94 und ist an das Stahlwerkstück 94 angrenzend angeordnet. Wenn das zusätzliche Stahlwerkstück 122 derart angeordnet ist, bildet die äußere Mantelfläche 106 des Aluminiumwerkstücks 92 wie bisher die erste Seite 100 des Werkstückstapels 90 und grenzt sie ab, während das Stahlwerkstück 94, das an das Aluminiumwerkstück 92 angrenzt, nun ein Paar von gegenüberliegenden Passflächen 108, 124 beinhaltet. Die Passfläche 108 des Stahlwerkstücks 94, welche der angrenzenden Passfläche 104 des Aluminiumwerkstücks 92 gegenübersteht und sie (direkt oder indirekt) kontaktiert, stellt die Passschnittstelle 112 zwischen den beiden Werkstücken 92, 94 her wie zuvor beschrieben. Die andere Passfläche 124 des Stahlwerkstücks 94 steht einer Passschnittstelle 126 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 122 gegenüber und steht in überlappendem (direktem oder indirektem) Kontakt mit dieser. In diesem Sinne bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 92, 94, 122 eine äußere Mantelfläche 128 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 122 nun die zweite Seite 102 des Werkstückstapels 90 und grenzt sie ab.
Zurück nun zu 5, wo die erste Schweißelektrode 10 und die zweite Schweißelektrode 98 zur Leitung des elektrischen Stroms durch den Werkstückstapel 90 und über die Passschnittstelle 112 der benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 an der Schweißstelle 96 unabhängig davon verwendet wird, ob ein zusätzliches Werkstück 114, 122 vorhanden ist. Jede der Schweißelektroden 10, 98 sind durch eine Schweißzange (teilweise dargestellt) jedes beliebigen konventionellen Typs einschließlich einer C-Typ- oder X-Typ-Schweißzange getragen. Der Punktschweißvorgang kann es erfordern, die Schweißzange an einen Roboter zu montieren, der in der Lage ist, die Schweißzange um den Werkstückstapel 90 nach Bedarf herumzubewegen oder es kann erforderlich sein, die Schweißzange als stationären sockelartigen Typ zu konfigurieren, in dem der Werkstückstapel 90 in Bezug auf die Schweißzange gehandhabt und bewegt wird. Zusätzlich kann, wie hier schematisch dargestellt, die Schweißzange mit einer Stromversorgung 130, die den elektrischen Strom liefert und einer Schweißsteuerung 132 kombiniert sein, die mit der Stromversorgung 130 zum Steuern der Eigenschaften des elektrischen Stroms entsprechend einem programmierten Schweißzeitplan zusammenwirkt. Die Schweißzange kann auch mit Kühlmittelschläuchen und Steuermodul ausgerüstet sein zum Bereitstellen eines Kühlfluids wie Wasser an jeder Schweißelektrode 10, 98.
Die Schweißzange beinhaltet einen ersten Zangenarm 134 und einen zweiten Zangenarm 136. Der erste Zangenarm 134 ist in einen ersten Schaft 138 eingepasst, der eine erste Schweißelektrode 10 hält und der zweite Zangenarm 136 ist in einen zweiten Schaft 140 eingepasst, der eine zweite Schweißelektrode 98 hält. Die gesicherte Halterung der Schweißelektroden 10, 98 an ihren jeweiligen Schäften 138, 140 kann über Schaftadapter erreicht werden, die an den axialen freien Enden der Schäfte 138, 140 angeordnet sind und von den Elektroden 10, 98 wie gezeigt und beschrieben mit Bezug auf 1 aufgenommen werden. Bezüglich ihrer Positionierung relativ zu dem Werkstückstapel 90 ist die erste Schweißelektrode 10 positioniert, in elektrische Kommunikation mit der ersten Seite 100 des Stapels 90 nahe des Aluminiumwerkstücks 92 gebracht zu werden und konsequenterweise ist die zweite Schweißelektrode 98 positioniert, in elektrische Kommunikation mit der zweiten Seite 102 des Stapels 90 nahe des Stahlwerkstücks 94 gebracht zu werden. Die ersten und zweiten Schweißzangenarme 134, 136 sind zum Zusammenführen oder Drücken der Schweißelektroden 10, 98 aufeinander zu betreibbar und um eine Klemmkraft auf den Werkstückstapel 90 an der Schweißstelle 96 aufzubringen, sobald die Elektroden 10, 98 in elektrische Kommunikation mit ihren jeweiligen Werkstückstapelseiten 100, 102 gebracht wurden.
Die zweite Schweißelektrode 98, die gegenüber der ersten Schweißelektrode 10 eingesetzt wurde, kann jede beliebige Form von Elektrodenauslegungen haben. Im Allgemeinen, wie am besten in 8 gezeigt, beinhaltet die zweite Schweißelektrode 98 einen Elektrodenkörper 142 und eine Schweißfläche 144. Der Elektrodenkörper 142 weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf und beinhaltet eine zugängliche Innenaussparung 146 (ähnlich der ersten Schweißelektrode 10), zum Einsatz in und zur Befestigung mit einem Schaftadapter (nicht dargestellt) des Schaftes 140 im Zusammenhang mit dem zweiten Zangenarm 136. Ein vorderes Ende 148 des Elektrodenkörpers 142 hat einen Umfang 1480 mit einem Durchmesser 1482, der im Bereich von 12 mm bis 22 mm oder enger im Bereich von 16 mm bis 20 mm liegt. Und wie zuvor ist die Schweißfläche 144 auf der Stirnseite 148 des Körpers 142 angeordnet und hat einen Umfang 1440, der deckungsgleich mit dem Umfang 1480 des vorderen Endes 148 des Körpers 142 (als „Vollflächenelektrode” bezeichnet) ist oder der aufwärts vom Umfang 1480 des vorderen Endes 148 durch eine Übergangsnase 150 ist. Wenn eine Übergangsnase 150 vorhanden ist, können die beiden Umfänge 1480, 1440 parallel sein wie hier in 1 dargestellt oder sie können so versetzt sein, dass der Umfang 1440 der Schweißfläche 144 bezogen auf den Umfang 1480 des vorderen Endes 148 des Körpers 142 geneigt ist.
Die Schweißfläche 144 ist der Abschnitt der zweiten Schweißelektrode 98, die elektrische Kommunikation mit der zweiten Seite 102 des Werkstückstapels 90 nahe dem Stahlwerkstück 94 herstellt. Die Schweißfläche 144 hat bevorzugt einen Durchmesser 1442, gemessen an seinem Umfang 1440, der im Bereich von 4 mm bis 16 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 8 mm bis 12 mm liegt. Bezüglich seines Profils beinhaltet die Schweißfläche 144 eine Basisschweißflächen-Oberfläche 152, die nominal eben oder sphärisch gewölbt sein kann. Ist sie sphärisch gewölbt, steigt die Basisschweißflächen-Oberfläche 152 Umfang 1440 der Schweißfläche 144 mit einem gekürzten sphärischen Profil mit einem Krümmungsradius an, der vorzugsweise im Bereich von 20 mm bis 300 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 20 mm bis 150 mm liegt. Zusätzlich kann die Schweißfläche 144, muss aber nicht erhabene Oberflächenmerkmale wie eine Plateau-Oberfläche beinhalten, die positiv oberhalb der Basisschweißflächen-Oberfläche 152 etwa in der Mitte der Schweißfläche 144 angeordnet ist, eine abgerundete Verlängerung, die sich über der Basisschweißflächen-Oberfläche 152 etwa in der Mitte der Schweißfläche 144 erhebt (z. B. eine Kugel-Nasen-Elektrode), eine Vielzahl mehrerer hochstehender kreisförmiger Stege ähnlich denjenigen, die vorstehend beschrieben sind oder einige andere erhabene Merkmale.
Die zweite Schweißelektrode 98 lässt sich aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material fertigen, das für Punktschweißanwendungen geeignet ist. Die zweite Schweißelektrode 98 lässt sich beispielsweise aus einer Kupferlegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 80 % IACS herstellen oder mehr bevorzugt mindestens 90 % IACS und einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK oder stärker bevorzugt von mindestens 350 W/mK. Ein konkretes Beispiel für eine Kupferlegierung, die für die zweite Schweißelektrode 98 verwendet werden kann, ist eine Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr), die 0,10 Gew% bis etwa 0,20 Gew% Zirkon und Kupfer als Saldomaterial enthält. Kupferlegierungen, die diese Bestandteilkomposition erfüllen und als C15000 gekennzeichnet sind, werden in der Regel bevorzugt. Andere Kupferlegierungszusammensetzungen sowie andere Metallzusammensetzungen, die hier nicht explizit angegeben sind und die geeignete mechanische Eigenschaften sowie elektrische und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften besitzen, können ebenfalls eingesetzt werden.
Das Widerstandspunktschweißverfahren ist nachfolgend anhand der 5 und 9–12 beschrieben, welche nur die Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 darstellen, die überlappen und nebeneinander liegen, um so die Passschnittstelle 112 herzustellen. Die Anwesenheit des zusätzlichen Aluminium oder Stahlwerkstücks 114, 122 im Werkstückstapel 90 beeinflusst nicht die Art der Durchführung des Punktschweißverfahrens oder hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Zusammenfügemechanismus, der an der Passschnittstelle 112 der benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 92, 94 stattfindet. Deshalb werden, wenn das Punktschweißverfahren nachstehend in Einzelheiten beschrieben wird, der Übersichtlichkeit halber nur die angrenzenden Stahl- und Aluminiumwerkstücke 92, 94 abgebildet. Die ausführlichere Erörterung weiter unten gilt gleichermaßen für Fälle, in denen der Werkstückstapel 90 das zusätzliche Aluminium- oder zusätzliche Stahlwerkstück 114, 122 (6 und 7) beinhaltet, ungeachtet der Tatsache, dass ein solches zusätzliches Werkstück 114, 122 aus den Figuren weggelassen wurde.
Zu Beginn des Widerstandspunktschweißverfahrens, das in 5 dargestellt ist, ist der Werkstückstapel 90 befindet sich zwischen der ersten Schweißelektrode 10 und der gegenüberliegenden zweiten Schweißelektrode 98 angeordnet, wobei die ersten und zweiten Seiten Seite 100, 102 nahe der jeweils ersten und zweiten Schweißelektrode 10, 98 angeordnet sind. Die Schweißzange wird dann die erste und zweite Schweißelektrode 10, 98 so zueinander führen, dass ihre entsprechenden Schweißflächen 20, 144 gegen die gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten 100, 102 des Stapels 90 an der Schweißstelle 96 gepresst werden. Die Schweißflächen 20, 144 sind typischerweise zueinander fluchtend an der Schweißstelle 96 unter einer auferlegten Klemmkraft auf den Werkstückstapel 90 ausgerichtet. Die aufgebrachte Klemmkraft liegt vorzugsweise zwischen 400 lb (etwa 181 kg) bis 2000 lb (etwa 907 kg) oder enger von 600 lb (etwa 272 kg) bis 1300 lb (etwa 590 kg).
Nachdem die Schweißflächen 20, 144 der ersten und zweiten Schweißelektroden 10, 98 am Bestimmungsort sind und die elektrische Kommunikation mit den ersten und zweiten Seiten 100, 102 des Werkstückstapels 90 erstellt haben, wird jeweils der elektrische Stromfluss zwischen den Schweißelektroden 10, 98 über deren zueinander ausgerichtete Schweißflächen 20, 144 geleitet. Der elektrische Strom zwischen den Schweißelektroden 10, 98 fließt durch den Werkstückstapel 90 und über die Passschnittstelle 112 zwischen den benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken 92, 94. Der Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stroms erzeugt Wärme und heizt zunächst das elektrisch und thermisch höher resistive Stahlwerkstück 94 schneller als das Aluminiumwerkstück 92 auf. Die resistiv erzeugte Wärme schmilzt eventuell das Aluminiumwerkstück 92 und erzeugt ein Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium wie in 9 dargestellt. Das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium benetzt die benachbarte Passfläche 108 des Stahlwerkstücks 94 und erstreckt sich von der Passschnittstelle 112 in das Aluminiumwerkstück 92. Das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium kann in das Aluminiumwerkstück 92 über eine Distanz eindringen, die von 20 % bis 100 % der Dicke 920 des Aluminiumwerkstücks 92 an der Schweißstelle 96 reicht. In seiner Zusammensetzung besteht das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium überwiegend aus Aluminium, das vom Aluminiumwerkstück 92 abgeleitet ist, da das Stahlwerkstück 94 typischerweise während elektrischen Stromflusses nicht schmilzt, sondern sich zu einem gewissen Grad auflösen kann und Eisen in das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium einführen kann.
Die elektrische Stromstärke zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode 10, 98 und durch den Werkstückstapel 90 ist vorzugsweise ein Gleichstrom (DC). Ein Gleichstrom kann von der Stromversorgung 130 geliefert werden, der wie in 5 gezeigt in elektrische Kommunikation mit der ersten und zweiten Schweißelektrode 10, 98 gebracht wird. Die Stromversorgung 130 ist vorzugsweise eine Wechselrichter-Stromversorgung für mittelfrequenten Gleichstrom (MFDC), der einen Wechselrichter und einen MFDC-Transformator beinhaltet, obwohl auch andere Arten von Stromversorgungen durchaus verwendet werden können. Die genaue Funktion der Stromversorgung 130 wird mittels der Schweißsteuerung 132 gesteuert. Um sicher zu sein, steuert die Schweißsteuerung 132 die Stromversorgung 130 durch Diktieren der Weise, in der Gleichstrom zwischen den Schweißelektroden 10, 98 ausgetauscht wird, basierend auf programmierten Anweisungen einschließlich eines vorgeschriebenen Schweißplans. Die programmierten Eigenschaften des Gleichstroms können den Gleichstrom mit einem konstanten Strompegel oder gepulst über der Zeit anordnen oder eine Kombination der beiden und typischerweise anfordern, dass die Stromstärke meist zwischen 5 kA und 50 kA vom Beginn bis zum Ende und für eine Dauer von 40 ms bis zu 2.500 ms zur Erzeugung des Schweißbads 154 aus geschmolzenem Aluminium in der gewünschten Größe aufrechterhalten wird.
Nachdem nach dem Durchfließen elektrischen Stromes zwischen den Schweißflächen 20, 144 der ersten und zweiten Schweißelektrode 10, 98 der Stromfluss beendet ist, verfestigt sich das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium zu einer Schweißverbindung 156, die das Aluminiumwerkstück 92 und das Stahlwerkstück 94 an der Schweißstelle 96 zusammenfügt, wie in 10 dargestellt. Die Schweißverbindung 156 beinhaltet einen Aluminium-Schweißklumpen 158 aus erstarrtem Material des Aluminiumwerkstücks 92 und kann auch eine oder mehrere Reaktionsschichten 160 der Fe-Al-intermetallischen Verbindungen beinhalten. Der Aluminium-Schweißklumpen 158 erstreckt sich in das Aluminiumwerkstück 92 mit einer Entfernung, die oft im Bereich von 20 % bis 100 % (100 % bedeutet durch das gesamte Aluminiumwerkstück 92) der Dicke 920 des Aluminiumwerkstücks 92 an der Schweißstelle 96 liegt, ebenso wie das bereits existierende Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium. Die eine oder mehreren Reaktionsschichten 160 der Fe-Al-intermetallischen Verbindungen, die hier als eine einzige idealisierte Schicht dargestellt sind, sind zwischen den Aluminium-Schweißklumpen 158 und der Passfläche 108 des Stahlwerkstücks 94 angeordnet. Die Fe-Al-intermetallischen Verbindungen entstehen in Schichten an der Passschnittstelle 112 durch eine Reaktion zwischen dem Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium und dem Stahlwerkstück 94 bei Punktschweißtemperaturen. Die eine oder mehreren Fe-Al-intermetallischen Schichten 160 können FeAl₃-Verbindungen, Fe₂Al₅-Verbindungen und gegebenenfalls andere intermetallische Verbindungen beinhalten und weisen typischerweise eine kombinierte Gesamtdicke von 1 µm bis 5 µm auf.
Die Schweißverbindung 156 weist erwartungsgemäß eine verbesserte Festigkeit auf – insbesondere eine verbesserte Schälfestigkeit – im Vergleich zu nach konventionellen Punktschweißpraktiken gefertigten Schweißverbindungen. Die größere Festigkeit kann auf die Struktur der ersten Schweißelektrode 10 und ihrer Fähigkeit zum Minimieren der unerwünschten Dispersion von Schweißdefekten innerhalb der Schweißverbindung 156 an und entlang der Passschnittstelle 112 zurückgeführt werden. Insbesondere, die Struktur der ersten Schweißelektrode 10 verändert das Verfestigungsverhalten des Schweißbads 154 aus geschmolzenem Aluminium, da es in die Schweißverbindung 156 in einer Weise übergeht, die Schweißdefekte erzeugt, die in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 156 und weg äußeren Rand der Verbindung 156 gewischt werden. Dirigieren von Schweißdefekten in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 156 hat eine günstige Auswirkung auf die Abziehfestigkeit, da die Mitte der Schweißverbindung 156 ein harmloserer Ort für das Vorhandensein von Schweißfehlern als nahe am äußeren Rand der Verbindung 156 nahe der Passschnittstelle 112 und benachbart zu der Wärmeeinflusszone ist, die die Schweißverbindung 156 umgibt.
Der Einfluss, den die Struktur der ersten Schweißelektrode 10 auf das Verfestigungsverhalten des Schweißbads 154 aus geschmolzenem Aluminium hat, ist im Allgemeinen dargestellt in den 11–12. Um einigen Kontext bereitzustellen, zeigt 11 eine Schweißverbindung 260, die zwischen einem Aluminiumwerkstück 262 und einem Stahlwerkstück 264 gebildet ist, die zum Errichten einer Passschnittstelle 266 überlappen. Die hier dargestellte Schweißverbindung 260 ist repräsentativ für eine Schweißverbindung, die durch ein konventionelles Widerstandspunktschweißverfahren gebildet wurde, der keine erste Schweißelektrode 10 wie die vorstehend beschriebene verwendete. Wie ersichtlich, sind Schweißdefekte 268 an und entlang der Passschnittstelle 266 der Werkstücke 262, 264 innerhalb der Schweißverbindung 260 verteilt. Diese Schweißdefekte 268 können Schrumpfungshohlräume, Gasporosität, Oberflächenoxidreste und Mikrorisse unter anderem beinhalten. Wenn sie vorhanden und verteilt über die Passschnittstelle 266 sind, können die Schweißdefekte 268 die Abziehfestigkeit der Schweißverbindung 260 verringern und, allgemeiner, die gesamte Integrität der Verbindung 260 negativ beeinflussen und schwächen.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, ist anzunehmen, dass die Streuung der Schweißdefekte 268 an und entlang der Passschnittstelle 266 mindestens teilweise Verfestigungsverhalten des bereits existierenden Schweißschmelzbads aus Aluminiumlegierung verursacht wird, da es sich in die Schweißverbindung 260 umwandelt. Insbesondere kann sich eine Wärmeungleichheit zwischen dem viel heißeren Stahlwerkstück 264 und dem Aluminiumwerkstück 262 aufgrund der verschiedenen physikalischen Eigenschaften der beiden Materialien entwickeln - nämlich aufgrund der deutlich größeren thermischen und elektrischen Widerstände des Stahls. Das Stahlwerkstück 264 wirkt daher als Wärmequelle, während das Aluminiumwerkstück 262 als Wärmeleiter wirkt, wodurch ein starker Temperaturgradient in vertikaler Richtung erzeugt wird, der bewirkt, dass das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium Bereich nahe der kälteren (z. B. wassergekühlten) Schweißelektrode aus nahe dem Aluminiumwerkstück 262 in Richtung der Passschnittstelle 266 abkühlt und erstarrt. Der Weg und die Richtung der Verfestigungsfront sind in 11 durch die Pfeile 270 dargestellt. Je mehr die Verfestigungsfront entlang Weg 270 fortschreitet, werden die Schweißdefekte 268 in Richtung der Passschnittstelle 266 gewischt und enden schließlich verteilt entlang der Passschnittstelle 266 innerhalb der Schweißverbindung 260.
Der Aufbau der ersten Schweißelektrode 10 kann das in 11 dargestellte Verfestigungsverhalten und die Vermehrung von resultierenden Schweißdefekten vermeiden. Bezugnehmend nun auf 12 ist eine vergrößerte Darstellung der Schweißverbindung 156, die nach dem vorstehend beschriebenen Punktschweißverfahren gebildet wurde, gezeigt. Wie ersichtlich, sind Schweißdefekte 162 in dieser Schweißverbindung 156 nahe dem Zentrum der Verbindung 156 angesammelt im Gegensatz zu einer größeren Verteilung entlang der Passschnittstelle 112, wie in 11 dargestellt. Die Schweißdefekte 162 werden in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 156 gewischt, da der Aufbau der ersten Schweißelektrode 10 bewirkt, dass das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium von seinem äußeren Umfang 164 her zu seiner Mitte hin erstarrt. Der Weg und die Richtung der Verfestigungsfront sind im Allgemeinen in 12 durch Pfeile 166 dargestellt. Der Weg 166 kann hier Schweißdefekte 162 in die Mitte der Schweißverbindung 156 wischen, entweder auf der oder entfernt von der Passschnittstelle 112 und kann die Defekte 162 zu größer dimensionierten Defekten verdichten.
Der Aufbau der ersten Schweißelektrode 10 löst die Verfestigungsfront 166 in 12 durch Kanalisieren des Wärmestroms durch den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 aus. Insbesondere wird die Wärme, die innerhalb des ersten Abschnitts 12 der Schweißelektrode 10 während des Punktschweißens erzeugt wird sowie die Wärme, die sich vom Stahlwerkstück 94 und dem Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium 154 ausbreitet, in den zweiten Abschnitt 14 der Elektrode 10 zur Extraktion durch die Kühlflüssigkeit gezogen, die durch die Kühltasche 54 strömt. Diese Wärme wird zum zweiten Teil 14 vorrangig durch den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 geleitet, da die Luft oder das Material mit geringer Leitfähigkeit 80, das im Zwischenraum 78 enthalten ist, der die Rückseite 24 des ersten Abschnitts 12 von der vorderen Fläche 40 des rückwärtigen Abschnitts 14 viel weniger in der Lage ist, Wärme zu leiten. Als solches beginnt bei Beendigung eines elektrischen Stroms durch den Werkstückstapel 90 Wärme zu der Mitte des ersten Abschnitts 12 und bis in den Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 16 in Richtung des zweiten Abschnitts 14 zu fließen. Ein Temperaturgradient ist somit festgelegt zwischen dem kälteren äußeren Umfang der Schweißfläche 20 nahe ihrem Umfang 200 und der heißeren Mitte der Schweißfläche 20. Der festgelegte Temperaturgradient belässt Wärme an der Mitte des Schweißbads 154 aus geschmolzenem Aluminium, wodurch dieser Bereich des Schmelzbades 154 angeregt wird, als letztes zu erstarren, wenn der elektrische Stromfluss aufhört. Dadurch werden Schweißfehler wie Schrumpfungshohlräume, Gashohlräume und Oxidfilmreste in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 156 getrieben und dort zurückgehalten.
Wieder rückbezugnehmend auf 10 üben die erste und die zweite Schweißelektrode 10, 98 weiterhin die Klemmkraft auf den Werkstückstapel 90 aus, bis das Schweißbad 154 aus geschmolzenem Aluminium vollständig zu der Schweißverbindung 156 erstarrt ist. Sobald die Schweißverbindung 156 gebildet ist, wird die Klemmkraft auf den Werkstückstapel 90 verringert und die erste und zweite Schweißelektrode 10, 98 von ihren jeweiligen Seiten 100, 102 des Stapels 90 zurückgezogen. Der Werkstückstapel 90 kann nun gegenüber der Schweißzange so bewegt werden, dass die erste und die zweite Schweißelektrode 10, 98 in zugewandter Ausrichtung an einer anderen Schweißstelle 96 angeordnet werden, wo das Punktschweißverfahren wiederholt wird. Oder anstatt Punktschweißen an einer anderen Stelle 96 durchzuführen, kann der Werkstückstapel 52 von der Schweißzange wegbewegt werden, um Platz für einen gleichen Werkstückstapel 90 zu schaffen. Das Punktschweißverfahren kann somit viele Male an unterschiedlichen Schweißstellen 96 an den gleichen oder unterschiedlichen Werkstückstapeln in einer Herstellungsanordnung durchgeführt werden, wo Punktschweißungs-Zykluszeiten und Produktdurchsatzleistung wesentliche Messgrößen sind.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.
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 8222560 [0027]
US 8436269 [0027]
US 8927894 [0027]
US 2013/0200048 [0027]
US 2014/0360986 [0041]

Claims

Schweißelektrode für die Verwendung in Punktschweißverfahren, worin die Schweißelektrode Folgendes umfasst: einen ersten Abschnitt, der eine Schweißfläche und eine Rückseite gegenüber der Schweißfläche beinhaltet; einen zweiten Abschnitt, der einen Befestigungssockel und eine Stirnfläche gegenüber dem Befestigungssockel beinhaltet, worin der Befestigungssockel eine Öffnung zu einer Innenaussparung definiert, worin ein Teil der inneren Aussparung als Kühltasche dient; und einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser, der sich zwischen der Rückseite des ersten Abschnitts und der vorderen Stirnfläche des zweiten Abschnitts erstreckt, worin der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt verbindet, sodass ein Umfangsrandabschnitt der Rückseite des ersten Abschnitts und ein Umfangsrandabschnitt der Stirnfläche des zweiten Abschnitts durch einen Luftspalt oder durch ein Material geringer Leitfähigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit und einer Wärmeleitfähigkeit kleiner als eine elektrische Leitfähigkeit und eine Wärmeleitfähigkeit von jedem ersten Abschnitt, zweiten Abschnitt und dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser abgetrennt ist.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin die Schweißfläche sphärisch gewölbt ist und einen Durchmesser von 6 mm bis 20 mm und einen Kurvenradius von 15 mm bis 300 mm aufweist.
Schweißelektrode nach Anspruch 2, worin die Schweißfläche eine Reihe von konzentrischen kreisförmigen Stegen aufweist, die sich von einer Basisfläche der Schweißfläche aus nach außen hin erstrecken.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der Umfangsrandabschnitt der Rückseite des ersten Abschnitts und der Umfangsrandabschnitt der Stirnfläche des zweiten Abschnitts voneinander durch das Material mit geringerer Leitfähigkeit getrennt sind und worin das Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ein Isolator ist.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der erste Abschnitt, der zweite Abschnitt und der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser einteilig verbunden sind.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der erste Abschnitt, der zweite Abschnitt und der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser aus einer Kupfer-Zirkon-Legierung, einer Kupfer-Chrom-Legierung, einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung oder einem Wolfram-Kupfer-Metallverbundwerkstoff gefertigt sind.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin sich der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser in Längsrichtung zwischen der Rückseite des ersten Abschnitts und der Stirnfläche des zweiten Abschnitts entlang einer Achse des Schweißfläche erstreckt, wobei der Umfangsrandabschnitt der Rückseite des ersten Abschnitts und der Umfangsrandabschnitt der Stirnfläche des zweiten Teils einen Ringspalt definiert, wobei der Ringspalt leer ist oder mit dem Material mit geringer Leitfähigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit und einer thermischen Leitfähigkeit gefüllt ist, die kleiner als eine elektrische Leitfähigkeit und eine thermische Leitfähigkeit jedes der ersten, zweiten und der Abschnitte mit verringertem Durchmesser sind.
Schweißelektrode nach Anspruch 7, worin der Umfangsrandabschnitt der Rückseite des ersten Abschnitts und der Umfangsrandabschnitt der Stirnfläche des zweiten Abschnitts entlang der Achse der Schweißfläche in einer Distanz von 0,1 mm bis 10 mm beabstandet sind.
Schweißelektrode nach Anspruch 8, worin ein Umfang der Rückseite des ersten Abschnitts diametral fluchtend mit einem Umfang der Stirnfläche des zweiten Abschnitts ist und worin jeder Durchmesser der Rückseite und ein Durchmesser der Stirnfläche von 12 mm bis 22 mm lang ist.
Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück beinhaltet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bereitstellen eines Werkstückstapels mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück nahe der ersten Seite und ein benachbartes Stahlwerkstück nahe der zweiten Seite umfasst, wobei die Aluminium- und Stahlwerkstücke sich gegenseitig überlappen, sodass eine Passfläche des Aluminiumwerkstücks eine Passfläche des Stahlwerkstücks zum Bilden einer Passfläche zwischen den Werkstücken berührt; das Platzieren einer Schweißfläche einer ersten Schweißelektrode in elektrische Kommunikation mit der ersten Seite des Werkstückstapels, wobei die erste Schweißelektrode einen ersten Abschnitt umfasst, der die Schweißfläche beinhaltet, einen zweiten Abschnitt, der eine innere Aussparung mit einer Kühltasche definiert, durch die Kühlflüssigkeit strömen kann, und einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser, der sich zwischen einer Rückseite des ersten Abschnitts und einer Stirnfläche des zweiten Abschnitts erstreckt und diese verbindet; das Platzieren einer Schweißfläche einer zweiten Schweißelektrode in elektrische Kommunikation mit der zweiten Seite des Werkstückstapels, wobei die Schweißflächen der ersten und zweiten Schweißelektroden gegenseitig fluchtend zueinander an einer Schweißseite angeordnet sind, wenn die ersten und zweiten Schweißelektroden in elektrische Kommunikation mit ihren jeweiligen Seiten des Werkstückstapels gebracht werden; das Durchleiten von elektrischem Strom zwischen der Schweißfläche der ersten Schweißelektrode und der Schweißfläche der zweiten Schweißelektrode und durch den Werkstückstapel an der Schweißstelle, wobei der elektrische Strom ein Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks erzeugt, das die angrenzende Passschnittstelle des benachbarten Stahlwerkstücks benetzt; und das Abbrechen des Durchfließens des elektrischen Stroms zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode, um das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium zum Verfestigen zu einer Schweißverbindung zu bewegen, die das Aluminiumwerkstück und das benachbarte Stahlwerkstück an der Schweißstelle zusammenzufügen.