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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißelektrode für das Widerstandspunktschweißen sowie ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Werkstücken, insbesondere von Karosserieteilen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine Bauteilgruppe aufweist, deren Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Widerstandspunktschweißen verbunden sind.
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Es ist ein bekanntes Problem, dass Elektroden zum Widerstandspunktschweißen einem relativ hohen Verschleiß ausgesetzt sind bzw. eines relativ hohen Nacharbeitsaufwandes bedürfen. Dies betrifft insbesondere Schweißelektroden, die zur Schweißung von stark oxidierenden Werkstoffen, wie zum Beispiel Aluminium- oder Magnesiumblechen, dienen. Im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen von Stahlwerkstoffen ist die Lebensdauer von Widerstandspunktschweiß-Elektroden zur Schweißung von Aluminium- bzw. Magnesiumbleich um bis zu 90 % verringert. In entsprechender Weise ist hier ein erhöhter Aufwand hinsichtlich der Nacharbeit, des Korrosionsschutzes und der Qualitätssicherung zu betreiben.
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Die an diesen Leichtmetallen ausgeführten Widerstandspunktschweißungen sind insbesondere für Lochkorrosion anfällig, da Partikel von üblicherweise verwendeten Kupfer-Elektroden sich mit dem Aluminium- bzw. Magnesiumblech verbinden und dadurch eine Korrosion der Schweißstelle fördern. Es ist somit notwendig, den Verschleiß sowie auch die Korrosionsanfälligkeit bei Widerstandspunktschweißungen insbesondere im Leichtbaubereich zu verringern.
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Typische Verschleißerscheinungen an einer Elektrode zum Widerstandspunktschweißen sind in der der beiliegenden 1 dargestellt.
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1 zeigt in einer Draufsicht auf die Stirnseite einer herkömmlichen Schweißelektrode die Stirnfläche 3, an der sich von einer Ringfläche ausgehend eine Erosion 4 zum Zentrum der Stirnfläche ausgebreitet hat. Deutlich erkennbar ist dabei die zerklüftete Oberfläche im Bereich der Erosion 4.
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Der Grund für diese Erosion liegt in einer kontaktierungsbedingten, über die Anlagefläche der Schweißelektrode ungleichmäßigen Wärmeverteilung.
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Im Fall einer ungleichmäßigen Belastung der Schweißelektrode über ihre Anlagefläche kommt es zu einer ungleichmäßigen Kontaktwiderstandsverteilung zwischen der Elektrode und dem damit kontaktierten Werkstück. In Bereichen eines erhöhten Kontaktwiderstandes kommt es demzufolge zu einem widerstandsbedingten, erhöhten Wärmeeintrag. Dadurch entstehen unterschiedliche Temperaturgradienten über der Elektrodenkappenoberfläche, welche im Randbereich der Auflagefläche ein Maximum erreichen. Die dortigen Temperaturen können die Schmelztemperatur von Kupfer und Aluminium überschreiten, sodass es zu einer Erweichung oder sogar Schmelze der einander kontaktierenden Materialien kommen kann und dadurch ein Lötvorgang zwischen diesen Materialien erfolgen kann. Dies kann zu einer festen mechanischen Verbindung zwischen der Schweißelektrode und dem zu schweißenden Werkstück führen. Nach erfolgter Schweißung der Werkstücke kann es bei einem Lösungsvorgang der Schweißelektrode vom zu schweißenden Werkstück demzufolge zum Ausreißen von Partikeln aus der Schweißelektrode kommen, die am zu schweißenden Werkstück verbleiben. Dadurch ergibt sich eine noch gröbere Strukturierung der Anpressfläche der Schweißelektrode und demzufolge bei jeder weiteren Schweißung eine noch ungleichmäßigere Kraftverteilung. Demzufolge wächst mit jedem weiteren Schweißpunkt die Erosionszone an der Auflagefläche der Schweißelektrode. Insofern eine sehr feste mechanische Verbindung zwischen der Schweißelektrode und dem zu schweißenden Werkstück erzeugt wurde, kann es sogar zu einem Anlagenversagen kommen, wenn die Schweißelektrode mit einer Elektrodenkappe ausgeführt ist, die mit dem zu schweißenden Werkstück fest verbunden ist und im Inneren der Kappe Leitungen zur Führung eines Kühlmediums vorgesehen sind. In einem solchen Fall können die strömungstechnischen Verbindungen zum Transport des Kühlmediums zur Elektrodenkappe unterbrochen werden, was zum Austritt von Kühlmedium und/oder zu einer verringerten Kühlung der Elektrode führen kann.
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Zur Behebung einiger dieser Probleme wurden unterschiedliche Ansätze gewählt. Einige Automobilhersteller führen nach oder während der Durchführung des Schweißprozesses eine Bewegung der Schweißzange im Bezug zum zu schweißenden Werkstück aus, sodass vorhandene Verschleißerscheinungen bzw. mechanische Verbindungen abgeschert werden und somit trotz Verschleißes ein weiteres Schweißen möglich ist. Allerdings wird dadurch nicht sichergestellt, dass nicht Partikel der Schweißelektrode auf der Oberfläche des zu schweißenden Werkstückes zurückbleiben und ein teilweise erhebliches Korrosionspotenzial bilden. Für die Durchführung der genannten Relativbewegung, die oftmals als eine Drehung realisiert wird, ist auch ein entsprechendes Volumen am zu schweißenden Werkstück freizuhalten, in dem die Relativbewegung der Schweißzange erfolgen kann.
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Weiterhin werden statt zylinder- bzw. stabförmigen Elektroden auch sogenannte Ringelektroden eingesetzt, die zudem an ihrer kontaktierenden Oberfläche eine Strukturierung aufweisen, wodurch eine verbesserte Kontaktierung während des Schweißprozesses erreicht werden soll. Nachteilig an dieser Variante sind jedoch das optische Erscheinungsbild der mit der Ringelektrode geschweißten Schweißpunkte sowie das Korrosionspotenzial, welches durch eine größere Rauheit der erzeugten Schweißpunkte gesteigert ist. Diese relativ raue Oberfläche verhindert auch die Möglichkeit der Ultraschall-Prüfung der geschweißten Verbindung.
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Ein weiterer Ansatz zur Behebung der vorgenannten Probleme besteht in der Erhöhung der von der Elektrode aufgebrachten Anpresskraft sowie in unterschiedlichen Stromprofilen. Allerdings müssen die zu schweißenden Bauteile auch die hohen Anpresskräfte aushalten können. Zudem besteht ein erhöhter steuerungstechnischer Aufwand zur Realisierung der unterschiedlichen Stromprofile.
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Weiterhin wurden Elektroden zum Widerstandspunktschweißen entwickelt, die eine Beschichtung aus Titancarbid aufweisen, die die Lebensdauer der Elektrode erhöhen soll. Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist jedoch, dass eine Nachbearbeitung, insbesondere ein Nachfräsen der Elektrode aufgrund der relativ dünnen Oberflächenschicht aus Titancarbid nicht möglich ist. Demzufolge ist ein relativ häufiger Wechsel der Schweißelektrode nötig, was wiederum die Fertigungszeit erhöht. Zudem ist auch bei einer derartigen Beschichtung ein sogenanntes „Ankleben“ der Elektrodenkappe, bedingt durch einen schlechten Wärmeübergang zwischen dem Titancarbid und einer Aluminiumoberfläche, nicht zu vermeiden.
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Übliche Elektroden zum Widerstandspunktschweißen für Stahlblech werden aus Kupfer bzw. dispersionsverfestigtem Kupfer gefertigt. Diese umfassen eine Elektrodenkappe bzw. einen Elektrodenmantel aus einem sehr leitfähigen Material und einen Elektrodenkern aus einem hochfesten Material. Diese Kombination eignet sich jedoch nur bedingt für das Schweißen von Leichtmetallen, da die beschriebenen Verschleißerscheinungen durch den Kern mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit erhöht werden.
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Aus der
DE 2 554 990 ist eine Elektrode für eine elektrische Widerstandsschweißung bekannt, die einen Elektrodenkern aus einem festen Material sowie einen Elektrodenmantel aus einem hochleitfähigen Material aufweist. Das Material höherer Warmhärte besteht vorzugsweise aus einer dispersionsverfestigten Kupferlegierung.
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Der
DE 197 38 957 A1 ist eine Elektrode für das Widerstandspunktschweißen entnehmbar, die aus einem Kern im Bereich der Kontaktfläche aus einer thermisch und elektrisch hochleitfähigen Kupferlegierung oder aus einem Kupfer-Verbundwerkstoff mit Partikeln oder Fasern oder aus einem Werkstoffverbund besteht. Im äußeren Bereich der Elektrode ist diese aus einem thermisch und elektrisch hochleitfähigen Kupfer ausgebildet. Zwischen dem Kern und dem äußeren Bereich der Elektrode kann sich eine hochfeste Reaktionsschicht bzw. eine sogenannte Stützschicht befinden.
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Die
DE 10 2014 010 235 A1 lehrt die Verwendung eines Verbundwerkstoffs zur Herstellung von Elektrodenkappen, wobei der Verbundwerkstoff einen Kern aus einem ersten Kupferwerkstoff und einen Mantel aus einem zweiten Kupferwerkstoff aufweist und für den Kern ein Kupferwerkstoff gewählt wird, welcher eine höhere Erweichungsbeständigkeit als der Kupferwerkstoff des Mantels besitzt.
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Den aus diesen Dokumenten bekannten Elektroden für das Widerstandspunktschweißen ist gemeinsam, dass sie insbesondere in den Randzonen der Anlageflächen zur Kontaktierung des zu schweißenden Werkstückes durch einen Kupferwerkstoff ausgebildet sind, der bei der beschriebenen ungleichmäßigen Krafteinleitung den Nachteil aufweist, dass es zu einer ungleichmäßigen Widerstandsverteilung und demzufolge zu Temperaturgradienten in der Elektrode und am Werkstoff kommt, die ein partielles Aufschmelzen des Elektrodenwerkstoffs und/oder des Werkstoffs im Bereich der Kontaktierung bewirken können, sodass es zu einem unerwünschten Lötvorgang zwischen Elektrode und dem Werkstoff kommen kann, der bei einer Wegnahme der Elektrode zudem zum Verbleib von Kupferpartikeln am Werkstück und einer damit verbundenen Korrosionsbildung führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen sowie ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus Leichtmetallen, zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, kostengünstiger sowie zuverlässiger Weise die Widerstandspunktschweißung von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus Leichtmetallen, ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schweißelektrode nach Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Werkstücken nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schweißelektrode sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen ist in Unteranspruch 9 angegeben. Ergänzend wird nach Anspruch 10 ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches Bauteile aufweist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Widerstandspunktschweißen aneinandergefügt wurden.
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Die erfindungsgemäße Schweißelektrode dient zum Widerstandspunktschweißen, insbesondere zum Widerstandspunktschweißen von Leichtmetallen, wie zum Beispiel Bauteilen oder Blechen aus einer Aluminium- und/oder einer Magnesiumlegierung. Die Schweißelektrode umfasst einen Elektrodenschaft, der eine Stirnfläche zum Andrücken auf ein zu schweißendes Werkstück und zur Einleitung elektrischen Stroms in das zu schweißende Werkstück aufweist. Der Elektrodenschaft weist zumindest an der Stirnfläche einen Elektrodenkern sowie einen den Elektrodenkern im Wesentlichen und vorzugsweise vollständig umgebenden, die Außenseite des Elektrodenschafts ausbildenden Elektrodenmantel auf. Es ist hierbei vorgesehen, dass das stirnseitige Ende des Elektrodenkerns einen Bereich der Stirnfläche des Elektrodenschafts ausbildet. Das Material des Elektrodenmantels weist eine Zugfestigkeit von mindestens 400 N/mm2 auf.
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Die Schweißelektrode kann dabei derart ausgeführt sein, dass der gesamte Elektrodenschaft mit Elektrodenkern und Elektrodenmantel ausgeführt ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Elektrode wird erreicht, dass die Elektrode im Randbereich, in dem üblicherweise eine geringere Flächenpressung realisiert wird und demzufolge ein höherer elektrischer Widerstand besteht, ein Herausreißen von Partikeln aus dem Elektrodenmantel aufgrund dessen erhöhter Festigkeit verhindert wird. Dadurch wird das Korrosionspotenzial verringert und der Verschleiß der Elektrode nimmt ab. Der Hauptanteil des Stromflusses wird über den Elektrodenkern im Bereich des geringen elektrischen Widerstandes realisiert. Dadurch wird zuverlässig eine saubere Schweißlinsenbildung zwischen den zu schweißenden Werkstücken ermöglicht.
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Somit besteht ein geringerer Verschleiß der Elektrode sowie eine verbesserte Qualität der Schweißpunkte und demzufolge ein verringerter Nacharbeitungsaufwand sowie auch eine geringere Korrosionsgefahr.
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Dadurch, dass der Elektrodenmantel stirnseitig offen ist, sodass ein Bereich der Stirnfläche des Elektrodenschafts durch den Elektrodenkern ausgebildet ist, kann der Elektrodenkern selbst das zu schweißende Werkstück kontaktieren.
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Neben den Vorteilen der Verringerung des Verschleißes sowie der Korrosionsminderung ergibt sich eine verlängerte Lebensdauer der Schweißelektroden sowie die Möglichkeit der Konfektionierung bestehender Elektroden nach Bedarf, wie zum Beispiel durch Nachfräsen.
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Vorzugsweise besteht der Elektrodenkern aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 85 % IACS, also mindestens 49,3 × 106 S/m. Dadurch wird eine saubere Schweißlinsenbildung zwischen den Werkstücken erreicht.
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Das Material des Elektrodenmantels sollte vorzugsweise eine Härte von mindestens 180 HV bei Raumtemperatur aufweisen. Diese relativ hohe Härte beugt weiterem Verschleiß bzw. weiterer Erosionsbildung an der Oberfläche der Schweißelektrode vor.
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Als Material des Elektrodenkerns kommt insbesondere Cu-ETP oder eine Silberlegierung infrage. Als Material des Elektrodenmantels ist vorzugsweise dispersionsverfestigtes Kupfer oder Wolfram anzuwenden. Dispersionsverfestigtes Kupfer wie z.B. Cu-ETP, welches auch unter der Bezeichnung E-Cu58 bzw. E-Cu57 oder einfach E-Cu, Werkstoff-Nummer CW 0004A, bekannt ist, ist ein durch elektrolytische Raffination hergestelltes Kupfer mit sehr hoher Leitfähigkeit hinsichtlich Wärme und Elektrizität. Es besteht üblicherweise aus einer Kupfermatrix mit einer oder mehreren eingelagerten Komponenten. In einfacherer Ausgestaltung kann als Material des Elektrodenkerns auch im Wesentlichen reines Kupfer verwendet werden, da dieses bereits eine geeignete Kombination aus elektrischer Leitfähigkeit, Warmhärte und Kosten darstellt. Zudem ist die Fertigung eines derartigen Elektrodenkerns mittels Strangpressung relativ kostengünstig ausführbar.
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Dabei ist die Erfindung nicht auf die Verwendung der genannten Materialen eingeschränkt, sondern es kommen auch Silber-Werkstoffe als Material für den Elektrodenkern sowie Molybdän-Werkstoffe als Material für den Elektrodenmantel infrage.
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Um die hohen mechanischen Belastungen bei widerstandsbedingter Erwärmung der Elektrode auszuhalten ist vorzugweise vorgesehen, dass das Material des Elektrodenmantels eine Warmhärte von mindestens 600 °C aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ist vorgesehen, dass deren Stirnfläche konvex gewölbt ausgeführt ist. Das heißt, dass die Stirnfläche eine Balligkeit aufweist, sodass gewährleistet ist, dass bei im Wesentlichen senkrechten Ansetzen der Schweißelektrode auf das zu schweißende Werkstücken der zentrale Elektrodenkern das zu schweißende Werkstück kontaktiert. Allerdings sollen auch eben ausgeführte Stirnflächen nicht von der Erfindung ausgeschlossen sein.
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Der Radius der konvexen Wölbung Rw sollte im Bezug zur maximalen Erstreckung Tm des Elektrodenmantels im Querschnitt, der im Bereich des Übergangs von der konvexen Wölbung in den Elektrodenmantel verläuft, in einem Verhältnis von Rw/Tm = 2,5 bis 10 stehen. Dadurch ergeben sich gute Ergebnisse hinsichtlich der Schweißeigenschaften sowie des zu verzeichnenden Verschleißes. Der Radius der konvexen Wölbung Rw kann zum Beispiel 120 mm bis 160 mm, insbesondere 150 mm groß sein. Dadurch wird eine möglichst große Stromdurchgangsfläche mit einer hohen Prozesssicherheit verbunden.
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Das Verhältnis zwischen der Dicke des Elektrodenschafts bzw. des Elektrodenmantels im Bezug zur Dicke des Elektrodenkerns ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass im Querschnitt des Elektrodenschafts der Elektrodenmantel eine maximale Erstreckung Tm aufweist und im selben Querschnitt Elektrodenkern eine maximale Erstreckung Tk aufweist, wobei die maximale Erstreckung des Elektrodenkerns Tk zur maximalen Erstreckung des Elektrodenmantels Tm im Verhältnis von Tk/Tm = 0,1 bis 0,7 steht.
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Der Querschnitt des Elektrodenschaftes ist dabei nicht unbedingt auf eine Kreisform eingeschränkt, sondern er kann auch eckig ausgeführt sein oder sternförmig oder elliptisch. Insofern der Elektrodenschaft jedoch einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist demzufolge der Durchmesser des Elektrodenkerns Dk im Verhältnis zum Außendurchmesser des Elektrodenmantels Dm in einem Verhältnis von Dk/Dm = 0,4 bis 0,7. Ein bevorzugter Außendurchmesser des Elektrodenschafts bzw. Elektrodenmantels beträgt zwischen 13 mm und 19 mm, insbesondere 16 mm. Ein derart dimensionierter Elektrodendurchmesser ermöglicht das Schweißen von kleinen Flanschlängen und bietet dabei noch ausreichende Möglichkeiten zur Kühlung der Schweißelektrode.
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Mit der erfindungsgemäßen Schweißelektrode wird deren Neigung zum Anhaften am zu schweißenden Werkstück verringert, wobei keine Einschränkungen bezüglich der Zugänglichkeit der Schweißstelle bestehen. Aufgrund der erhöhten Festigkeit der Randzone der kontaktierenden Stirnfläche besteht ein verringertes Risiko des Ausreißens von Partikeln aus der Elektrode und demzufolge eine geringere Korrosionsgefahr. Dadurch lassen sich Schweißstellen mit guter Oberflächenqualität erzeugen, die auch eine zerstörungsfreie Prüfbarkeit gewährleisten. Die erfindungsgemäße Schweißelektrode lässt sich relativ gering dimensionieren, sodass die zu verschweißenden Flansche entsprechend gering dimensioniert werden können. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Kosteneinsparmöglichkeiten, die neben der Verringerung von Vor- bzw. Nacharbeitern und dem Aufwand für die Qualitätssicherung auch durch einen geringen Steuerungsaufwand gegeben sind. Insgesamt lässt sich somit die Lebensdauer der verwendeten Schweißelektroden steigern, der Nacharbeitungsaufwand verringern sowie die Korrosionsgefahr herabsetzen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Werkstücken zur Verfügung gestellt, bei dem die erfindungsgemäße Schweißelektrode genutzt wird. Es werden dabei zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke aneinander angelegt oder in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert. Dann wird mit der Schweißelektrode unter Andrücken auf ein erstes Werkstück elektrischer Strom durch die Werkstücke geleitet, sodass es zu einer widerstandsbedingten Erwärmung zwischen den Werkstücken im Strömungspfad des elektrischen Stromes und zu einer Verschweißung der Werkstücke kommt.
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Vorzugsweise ist das Material wenigstens eines der zu verschweißenden Werkstücke eine Aluminiumlegierung mit einem Masseanteil von mindestens 80 % Aluminium oder eine Magnesiumlegierung mit einem Masseanteil von mindestens 80 % Magnesium. Vorzugsweise lassen sich als zu verschweißende Werkstoffe die folgenden Materialien einsetzen: Aluminiumlegierungen der Serie 5000, 6000 und 7000 nach DIN EN 573-3 und Magnesiumknetlegierungen nach DIN 1729 – Teil 1. Ausgabe 8.1982 Magnesiumlegierungen. Knetlegierungen. Dabei kann das Verfahren derart ausgeführt werden, dass beide miteinander zu verschweißende Werkstücke aus der Aluminium-Legierung bestehen oder beide Werkstücke aus der Magnesium-Legierung bestehen oder eines der Werkstücke aus der Aluminium-Legierung besteht und das andere Werkstück aus der Magnesium-Legierung besteht.
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Die Erfindung ergänzend wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, zur Verfügung gestellt, welches wenigstens eine Bauteilgruppe aufweist, deren Werkstücke mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen miteinander gefügt sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen
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1: eine Draufsicht auf eine verschlissene, herkömmliche Elektrode zum Widerstandspunktschweißen,
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2: eine erfindungsgemäße Elektrode zum Widerstandspunktschweißen in einer perspektivischen Schnittansicht,
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3: den Kraftverlauf beim elektrischen Widerstandspunktschweißen,
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4: den Verlauf des elektrischen Widerstandes beim elektrischen Widerstandspunktschweißen,
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5: den Temperaturverlauf beim elektrischen Widerstandspunktschweißen.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen dargestellt, die hier im Querschnitt in perspektivischer Ansicht gezeigt ist. Erkennbar ist ein Elektrodenschaft 1, der im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Seine Außenseite 2 ist durch einen Elektrodenmantel 20 ausgebildet, der im Wesentlichen eine Rohrform aufweist bzw. im Querschnitt eine Ringform definiert. In vom Elektrodenmantel 20 umgebenen Volumen befindet sich der Elektrodenkern 10. Erfindungsgemäß besteht der Elektrodenmantel aus einem Material mit einer Warmhärte von mindestens 600 °C.
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Der Elektrodenkern besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 85 % IACS; gegebenenfalls sogar 100 % IACS. Das bedeutet, dass der Elektrodenkern eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 49,3 ×106 S/m oder sogar mindestens 58 ×106 S/m aufweist.
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Es ist ersichtlich, dass das stirnseitige Ende 11 des Elektrodenkerns 10 einen Teil, nämlich den zentralen Bereich, der Stirnfläche 3 des Elektrodenschafts 1 ausbildet. Dadurch ist gewährleistet, dass beim Anpressen der Stirnfläche 3 auf ein zu schweißendes Werkstück nicht nur der Elektrodenmantel 20 das Werkstück kontaktiert, sondern auch der Elektrodenkern 10.
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Weiterhin ist erkennbar, dass die maximale Erstreckung des Elektrodenkerns Tk im gezeigten Querschnitt in etwa ein Drittel der maximalen Erstreckung des Elektrodenmantels Tm im selben Querschnitt aufweist.
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In den 3 bis 5 ist der Prozess des Widerstandspunktschweißens dargestellt, wobei in 3 der dabei auftretende Kraftverlauf in der Stirnfläche der Schweißelektrode, in 4 der auftretende Verlauf des elektrischen Widerstands in der Stirnfläche der Elektrode und in 5 der Verlauf der Temperatur in der Stirnfläche der Elektrode dargestellt sind.
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Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, werden ein erstes Werkstück 30 und zweites Werkstück 31, die aneinander anliegen, an gegenüberliegenden Seiten von Schweißelektroden mit Anpresskräften F beaufschlagt. Die Elektroden sind dabei mit der erfindungsgemäß vorzugsweise vorgesehenen Konvexität der Stirnfläche 3 ausgebildet, sodass diese eine konvexe Wölbung 5 aufweisen.
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In 3 ist dabei die Position des Elektrodenkerns 10 im Elektrodenschaft 1 angedeutet, und in 4 ist der Radius Rw der konvexen Wölbung 5 angedeutet.
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Die Verläufe der Anpresskräfte F in der Stirnfläche 3 sowie des elektrischen Widerstandes in der Stirnfläche 3 und der Temperaturverteilung in der Stirnfläche 3 werden anhand der oberen dargestellten Elektrode erläutert, die mit der unten dargestellten Gegenelektrode das Paar der Anpresskräfte F auf die zu verschweißenden Werkstücke 30, 31 aufbringen.
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Aus 3 ist ersichtlich, dass aufgrund der konvexen Wölbung 5 der Stirnfläche 3 das Zentrum des Elektrodenschafts 1 stärker auf das zu verschweißende erste Werkstück 30 drückt als die Randzone der Stirnfläche 3. Dies ist in dem rechts dargestellten Schaubild für den Kraftverlauf verdeutlicht. Mit dem helleren Bereich ist eine geringe Antriebskraft 50 gekennzeichnet und mit dem dunkleren Bereich eine hohe Antriebskraft 51.
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Demzufolge wird der zentrale, von den Elektroden kraftbeaufschlagte Bereich der Werkstücke 30, 31 einer größeren Anpresskraft unterworfen.
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Dadurch sinkt in diesem Bereich der elektrische Widerstand, so wie es aus 4 ersichtlich ist. Zu Mit dem helleren Bereich ist dabei ein geringer elektrischer Widerstand 60 gekennzeichnet und mit dem dunkleren Bereich ein hoher elektrischer Widerstand 61.
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Demzufolge ist ein vergleichsweise erhöhter elektrischer Widerstand in der Randzone der Stirnfläche 3 zu verzeichnen. Der Verlauf des elektrischen Widerstandes ist mit dem rechts in 4 dargestellten Schaubild verdeutlicht.
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Aufgrund dessen kommt es in den Randzonen mit dem erhöhtem elektrischen Widerstand zu einer widerstandsbedingten, verstärkten Erwärmung, wie es aus 5 ersichtlich ist. Mit dem helleren Bereich ist dabei eine geringe Temperatur 70 gekennzeichnet und mit dem dunkleren Bereich eine hohe Temperatur 71.
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Daneben besteht natürlich aufgrund der im Vergleich zu den Randzonen im Zentrum der Stirnfläche 3 bestehenden höheren Stromstärke auch in diesem Bereich eine relativ hohe Temperatur.
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Aufgrund der Verwendung eines warmhochfesten Materials für den Elektrodenmantel 20 wird verhindert, dass aus diesem trotz der hohen Temperaturen in der Randzone der Stirnfläche 3 Partikel herausgelöst oder auch abgeschmolzen werden. Dies bewirkt insbesondere in der Randzone der Schweißfläche, dass hier keine Partikel der Schweißelektrode zurückbleiben und die Oberfläche des zu schweißenden ersten Werkstückes 30 nicht beschädigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodenschaft
- 2
- Außenseite
- 3
- Stirnfläche
- 4
- Erosion
- 5
- konvexe Wölbung
- Rw
- Radius der konvexen Wölbung
- 10
- Elektrodenkern
- Tk
- maximale Erstreckung des Elektrodenkerns
- 11
- stirnseitiges Ende
- 20
- Elektrodenmantel
- Tm
- maximale Erstreckung des Elektrodenmantels
- 30
- erstes Werkstück
- 31
- zweites Werkstück
- 40
- Gegenelektrode
- F
- Anpresskraft
- 50
- Geringe Anpresskraft
- 51
- Hohe Anpresskraft
- 60
- Geringer elektrischer Widerstand
- 61
- Hoher elektrischer Widerstand
- 70
- Geringe Temperatur
- 71
- Hohe Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2554990 [0013]
- DE 19738957 A1 [0014]
- DE 102014010235 A1 [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Aluminiumlegierungen der Serie 5000, 6000 und 7000 nach DIN EN 573-3 [0035]
- Magnesiumknetlegierungen nach DIN 1729 – Teil 1. Ausgabe 8.1982 [0035]
