DE102017107318A1

DE102017107318A1 - VERFAHREN ZUM WIDERSTANDSPUNKTSCHWEIßEN VON ALUMINIUM AN STAHL

Info

Publication number: DE102017107318A1
Application number: DE102017107318.3A
Authority: DE
Inventors: David Sigler; Blair Carlson; Surender Maddela
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten überlappenden Stahlwerkstücks wird offenbart, worin eine Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand entlang einer Stoß-Grenzfläche eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten überlappenden Stahlwerkstücks gelegen ist. Die Quelle des reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand kann eine Vielzahl von Formen einnehmen, einschließlich (1) einer zusammengesetzten Klebstoffschicht, die reaktive Teilchen enthält, die überall in einer strukturellen duroplastischen Klebstoffmatrix verteilt sind, oder (2) einer reaktiven Legierungsschicht, die einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks gegenüberliegt und mit ihr unmittelbarem Kontakt steht. Ist die Quelle eines reaktiven Materials in einem diffusionsfähigen Zustand einmal an Ort und Stelle und der Werkstückstapel zusammengesetzt, wird ein elektrischer Strom durch den Werkstückstapel hindurch und zwischen einem Satz gegenüberliegender Schweißelektroden bei einer Schweißzone geleitet, um letztendlich eine Schweißverbindung zu erzeugen.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG(EN)
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/320801 und 62/320163, die jeweils am 8. April 2016 eingereicht wurden. Die gesamten Inhalte jeder der oben erwähnten vorläufigen Anmeldungen sind durch Verweis hierin einbezogen.
TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein angrenzendes bzw. benachbartes überlappendes Stahlwerkstück umfasst.
EINFÜHRUNG
Widerstandspunktschweißen ist ein Verfahren, das in mehreren Industriezweigen genutzt wird, um zwei oder mehr Metallwerkstücke miteinander zu verbinden. Die Kraftfahrzeugindustrie beispielsweise nutzt oft Widerstandspunktschweißen, um Metallwerkstücke während der Fertigung von Strukturrahmenelementen (z. B. Karosserieseiten und Querelementen) und Fahrzeugschließelementen (z. bB. Fahrzeugtüren, Kühlerhauben, Kofferraumdeckel und Heckklappen), neben anderen, miteinander zu verbinden. Eine Anzahl von Punktschweißungen wird oft an verschiedenen Punkten um einen Umfangsrand der Metallwerkstücke oder irgendeines anderen Verbindungsgebiets gebildet, um sicherzustellen, dass das Teil strukturell einwandfrei ist. Während Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke miteinander zu verbinden – wie etwa Stahl an Stahl und Aluminium an Aluminium – hat der Wunsch, leichtgewichtigere Materialien in eine Fahrzeugkarosseriestruktur einzubinden, das Interesse an einem Verbinden von Stahlwerkstücken mit Aluminiumwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen geweckt. Der oben erwähnte Wunsch, derartige Werkstücke aus unähnlichen Metallen mittels Widerstandspunktschweißen zu verbinden, ist nicht nur auf die Kraftfahrzeugindustrie beschränkt; tatsächlich erstreckt er sich auf andere Industriezweige, einschließlich der Industriezweige der Luftfahrt, Schifffahrt, Eisenbahn und des Gebäudebaus.
Widerstandspunktschweißen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss elektrischen Stroms durch überlappende Metallwerkstücke und über ihre Pass- bzw. Stoß-Grenzfläche(n), um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Schweißprozess auszuführen, wird ein Satz gegenüberliegender Schweißelektroden in einer zugewandten Ausrichtung gegen gegenüberliegende Seiten des Werkstückstapels gepresst, welcher typischerweise zwei oder drei Metallwerkstücke umfasst, die in einer überlappenden bzw. übereinandergelegten Konfiguration angeordnet sind. Danach wird elektrischer Strom durch die Metallwerkstücke hindurch von einer Schweißelektrode zur anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an ihrer (ihren) Stoß-Grenzfläche(n). Wenn der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes bzw. angrenzendes überlappendes Stahlwerkstück umfasst, löst die Wärme, die an der Stoß-Grenzfläche und innerhalb des Volumenmaterials jener Werkstücke aus unähnlichen Metallen erzeugt wird, ein Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks auf und lässt es wachsen. Das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium benetzt die benachbarte Stoßfläche des Stahlwerkstücks und verfestigt sich nach Beendigung des Stromflusses in eine Schweißverbindung, die die beiden Werkstücke miteinander verbindet.
In der Praxis stellt jedoch das Punktschweißen eines Aluminiumwerkstücks an ein Stahlwerkstück eine Herausforderung dar, da eine Anzahl von Eigenschaften dieser zwei Metalle die Festigkeit – vor allem die Abschäl- und Querspannungsfestigkeit – der Schweißverbindung nachteilig beeinflussen kann. Zum Einen umfasst das Aluminiumwerkstück gewöhnlich eine mechanisch robuste, elektrisch isolierende und selbstausheilende hitzebeständige Oberflächenoxidschicht. Diese Oberflächenoxidschicht besteht typischerweise aus Aluminiumoxidverbindungen, kann aber auch andere Metalloxidverbindungen beinhalten, einschließlich jener von Magnesiumoxid, wenn das Aluminiumwerkstück zum Beispiel aus einer magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung besteht. Als Folge ihrer Eigenschaften hat die hitzebeständige Oberflächenoxidschicht eine Tendenz, an der Stoß-Grenzfläche intakt zu bleiben, wo sie nicht nur die Fähigkeit des Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium, das Stahlwerkstück zu benetzen, beeinträchtigt, sondern auch eine Quelle oberflächennaher Defekte innerhalb des wachsenden Schmelzbades darstellt. Überdies erhöht die isolierende Eigenschaft der Oberflächenoxidschicht den elektrischen Kontaktwiderstand des Aluminiumwerkstücks – nämlich am Kontaktpunkt von dessen Stoßfläche und dessen Elektrode – was es schwierig macht, Wärme innerhalb des Aluminiumwerkstücks effektiv zu steuern und zu konzentrieren.
Die mit der hitzebeständigen Oberflächenoxidschicht des Aluminiumwerkstücks verbundenen Komplikationen können vergrößert werden, wenn eine dazwischenliegende organische Materialschicht – wie etwa ein ungehärteter, dennoch unter Wärme aushärtbarer Klebstoff, ein Dichtungsstoff, eine schalldämmende Schicht usw. – zwischen den Stoßflächen der Aluminium- und Stahlwerkstücke an der Stoß-Grenzfläche vorhanden ist. Konkret ist man der Ansicht, dass Reste von der organischen Materialschicht – welche Kohlenstoffasche, Füllstoffteilchen (z. B. Siliziumdioxid, Kautschuk usw.) und andere abgeleitete Materialien enthalten kann – sich schließlich mit einem Restoxidfilm kombinieren, um einen beständigeren zusammengesetzten bzw. Verbundrestfilm bilden, der verglichen mit der ursprünglichen hitzebeständigen Oberflächenoxidschicht gegen ein mechanisches Aufbrechen und eine Dispersion bzw. Verteilung während eines Stromflusses beständiger ist. Die Ausbildung eines robusteren Verbundrestfilms hat zur Folge, dass Fragmente dieses Films bei und entlang der Stoß-Grenzfläche auf eine weitaus zerstörendere Weise gruppiert und zusammengesetzt bleiben, verglichen mit Fällen, in denen zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken keine dazwischenliegende organische Materialschicht vorhanden ist. Zum Beispiel kann der zusammengesetzte bzw. Verbundrestfilm die Diffusion von Eisen in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium blockieren, was eine übermäßige Verdickung der harten und spröden Fe-Al-Intermetallschicht zur Folge haben kann. Außerdem kann der Verbundrestfilm einen rissanfälligen Pfad entlang der Verbindungsgrenzfläche der Schweißverbindung und des Stahlwerkstücks bereitstellen. Jedes dieser Ereignisse kann die Schweißverbindung schwächen.
Abgesehen von den Herausforderungen, die von der hitzebeständigen Oberflächenoxidschicht des Aluminiumwerkstücks gestellt werden, ganz gleich, ob in Verbindung mit der dazwischenliegenden organischen Materialschicht oder nicht, besitzen das Aluminiumwerkstück und das Stahlwerkstück verschiedene Eigenschaften, die die Festigkeit und Eigenschaften der Schweißverbindung nachteilig beeinflussen können. Konkret hat Aluminium einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt (~600°C) und verhältnismäßig niedrige elektrische und thermische Widerstände, während Stahl einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt (~1500°C) und verhältnismäßig hohe elektrische und thermische Widerstände aufweist. Als eine Konsequenz dieser Unterschiede in den Materialeigenschaften wird ein Großteil der Wärme während eines Stromflusses innerhalb des Stahlwerkstücks erzeugt, so dass ein Wärmeungleichgewicht zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem Aluminiumwerkstück (niedrigere Temperatur) existiert. Die Kombination des während eines Stromflusses erzeugten Wärmeungleichgewichts und der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumwerkstücks bedeutet, dass, unmittelbar nachdem der elektrische Stromfluss beendet wird, eine Situation eintritt, in der Wärme nicht symmetrisch aus der Schmelzzone verteilt wird. Stattdessen wird Wärme von dem heißeren Stahlwerkstück durch das Aluminiumwerkstück hindurch in Richtung der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumwerkstücks geleitet, was einen steilen thermischen Gradienten in dieser Richtung erzeugt.
Es wird angenommen, dass die Entwicklung eines steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumwerkstücks die resultierende Schweißverbindung auf verschiedene Weisen schwächt. Da das Stahlwerkstück für eine längere Dauer als das Aluminiumwerkstück Wärme hält, nachdem der Fluss elektrischen Stroms geendet hat, verfestigt sich zum Einen das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium gerichtet, beginnend von dem Gebiet nächst der (oft wassergekühlten) kälteren Schweißelektrode, die dem Aluminiumwerkstück zugeordnet ist, und in Richtung der Stoßfläche des Stahlwerkstücks fortschreitend. Eine Verfestigungsfront dieser Art neigt dazu, Defekte – wie etwa Gasporosität, Schrumpfhohlräume und Mikrorisse – in Richtung und entlang der Verbindungsgrenzfläche der Schweißverbindung und des Stahlwerkstücks zu reißen oder zu treiben, wo Defekte des Restoxidfilms oder Defekte des Verbundrestfilms schon vorhanden sind. Zweitens begünstigt die anhaltend erhöhte Temperatur im Stahlwerkstück das Wachstum einer harten und spröden intermetallischen Fe-Al-Schicht innerhalb der Schweißverbindung und zusammenhängend mit der bzw. angrenzend an die Stoßfläche des Stahlwerkstücks. Das Vorliegen einer Verteilung von Schweißdefekten zusammen mit einem übermäßigen Wachstum der intermetallischen Fe-Al-Schicht an der Verbindungsgrenzfläche neigt dazu, die Abschäl- und Querspannungsfestigkeit der Schweißverbindung zu reduzieren.
In Anbetracht der oben erwähnten Herausforderungen haben frühere Bemühungen zum Punktschweißen eines Aluminiumwerkstücks und eines Stahlwerkstücks einen Schweißplan verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (verglichen mit einer Punktschweißung von Stahl an Stahl) spezifiziert, um eine vernünftige Schweißbindungsfläche zu versuchen und zu erhalten. Solche Bemühungen waren in einem Fertigungsumfeld weitgehend erfolglos und tendieren dazu, die Schweißelektroden zu beschädigen. Da bisherige Bemühungen zur Punktschweißung nicht besonders erfolgreich gewesen sind, wurden stattdessen vorwiegend mechanische Befestigungsmittel einschließlich Stanz- bzw. Schlagnieten und fließlochformender bzw. Flow-Drill-Schrauben verwendet. Mechanische Befestigungsmittel benötigen verglichen mit einer Punktschweißung jedoch mehr Zeit zur Anbringung und weisen hohe Verbrauchsmaterialkosten auf. Auch fügen sie dem Fahrzeug Gewicht hinzu – Gewicht, das vermieden wird, wenn eine Verbindung mittels Punktschweißung bewerkstelligt wird –, das einige der Gewichtseinsparungen wettmacht, die durch die Verwendung eines Aluminiumwerkstücks überhaupt erzielt werden. Fortschritte beim Punktschweißen, die es vereinfachen, Aluminium- und Stahlwerkstücke zu verbinden, wären folglich eine willkommene Ergänzung zum Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren, um einen Werkstückstapel, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück umfasst, mittels Widerstandspunktschweißen zusammenzuschweißen, kann mehrere Schritte umfassen. Zunächst wird eine Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand entlang einer Stoß-Grenzfläche eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten überlappenden Stahlwerkstücks angeordnet. Das reaktive Metall kann mit geschmolzenem Aluminium reagieren, um Metallaluminidteilchen zu bilden. Als nächstes wird eine Schweißfläche einer ersten Schweißelektrode gegen eine Oberfläche des Aluminiumwerkstücks gepresst, die eine erste Seite des Werkstückstapels bildet, und eine Schweißfläche einer zweiten Schweißelektrode wird gegen eine Oberfläche des Stahlwerkstücks gepresst, die eine zweite Seite des Werkstückstapels bildet. Sind die Schweißelektroden einmal an Ort und Stelle, wird ein elektrischer Strom zwischen den Schweißflächen der gegenüberliegenden ersten und zweiten Schweißelektroden bei einer Schweißzone durch den Werkstückstapel hindurch geleitet. Dies bewirkt, dass das Aluminiumwerkstück, das an das Stahlwerkstück grenzt bzw. ihm benachbart ist, schmilzt und innerhalb des Aluminiumwerkstücks ein Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium bildet, das eine Stoßfläche des benachbarten Stahlwerkstücks benetzt. Der Kontakt zwischen dem Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium und der Quelle des reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand hat die Ausbildung von Metallaluminidteilchen zur Folge, die in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium wandern. Nach einer gewissen geeigneten Zeitspanne wird schließlich die Durchleitung des elektrischen Stroms zwischen den Schweißflächen der gegenüberliegenden ersten und zweiten Schweißelektroden beendet, um zu ermöglichen, dass das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium sich in eine Schweißverbindung verfestigt.
Das Verfahren, um ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück mittels Widerstandspunktschweißen zusammenzuschweißen, kann zusätzliche oder definiertere Schritte aufweisen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens die Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand eine Schicht aus einem zusammengesetzten Klebstoff bzw. Verbundklebstoffschicht sein, die an der Stoß-Grenzfläche der Aluminium- und Stahlwerkstücke zwischen einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks und der Stoßfläche des Stahlwerkstücks angeordnet ist. Die Verbundklebstoffschicht kann eine strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix und innerhalb der Matrix verteilte reaktive Teilchen umfassen. Die reaktiven Teilchen können außerdem ein Basis-Metallelement und ein oder mehr reaktive einzelne Metallelemente aufweisen, die mit dem Basis-Metallelement in einem diffusionsfähigen Zustand legiert bzw. vermischt sind. Zum Beispiel können die ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente der reaktiven Teilchen Eisen, Nickel, Kobalt und/oder Mangan einschließen. Als ein anderes Beispiel können die ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente zur Folge haben, dass innerhalb des Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium Aluminidteilchen gebildet werden, die zwischen 20 At-% und 80 At-% Aluminium zusammen mit zumindest einem von Fe, Ni, Co, Mn oder einer Kombination davon enthalten.
In einer anderen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens kann die Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand eine reaktive Legierungsschicht sein, die einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks gegenüberliegt und in unmittelbarem Kontakt mit ihr steht. Die reaktive Legierungsschicht kann ein Basis-Metallelement und ein oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente, die mit dem Basis-Metallelement legiert sind, in einem diffusionsfähigen Zustand umfassen. In der Tat kann in einer spezifischen Ausführung die reaktive Legierungsschicht eine reaktive Legierungsoberflächenschicht sein, die Teil des Stahlwerkstücks ist, insofern als die reaktive Legierungsoberflächenschicht an einem Basis-Stahlsubstrat des Stahlwerkstücks aufgebracht ist. Solch eine Schicht kann eine Dicke zwischen 2 μm und 100 μm haben. Beispielsweise kann die reaktive Legierungsoberflächenschicht eine nach dem Verzinken wärmebehandelte Zink-Eisen-Legierungsschicht, eine galvanisch abgeschiedene bzw. galvanisierte Zink-Nickel-Legierungsschicht oder eine galvanisch abgeschiedene Zink-Eisen-Legierungsschicht sein. Außerdem kann in einigen praktischen Umsetzungen die reaktive Legierungsoberflächenschicht des Stahlwerkstücks einen unmittelbaren Kontakt mit der Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks über eine dazwischenliegende organische Materialschicht herstellen, die zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken an der Stoß-Grenzfläche gelegen ist.
Ungeachtet der Quelle des reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand kann das offenbarte Verfahren ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel mit zwei oder mehr Werkstücken zusammengesetzt wird. Und zwar bildet, wenn der Werkstückstapel zu einem ”2T”-Stapel zusammengesetzt ist, das Aluminiumwerkstück die Aluminiumwerkstückoberfläche, die die erste Seite des Werkstückstapels bildet, und das Stahlwerkstück, das dem Aluminiumwerkstück benachbart liegt, bildet die Stahlwerkstückoberfläche, die die zweite Oberfläche des Werkstückstapels bildet. Zusätzliche Aluminium- und/oder Stahlwerkstücke können im Werkstückstapel einbezogen werden, falls man Stapel herstellen möchte, die drei und möglicherweise vier Werkstücke umfassen. Das offenbarte Verfahren kann auch so in die Praxis umgesetzt werden, dass die Metallaluminidteilchen, die in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium wandern, sich schließlich in eine Ringwulst aus Metallaluminidteilchen in der Schweißverbindung absetzen. Die Ringwulst aus Metallaluminidteilchen kann sich von einer Schweißbindungsfläche der Schweißverbindung nach oben und radial einwärts in eine Aluminium-Schweißlinse der Schweißverbindung erstrecken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen gemäß einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer Verbundklebstoffschicht umfasst, die zwischen Stoßflächen der beiden Werkstücke angeordnet ist;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Verbundklebstoffschicht, die eine strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix und innerhalb der Matrix verteilte reaktive Teilchen veranschaulicht;
3 ist eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführung eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer Verbundklebstoffschicht umfasst, die zwischen den Stoßflächen der beiden Werkstücke angeordnet ist, wobei hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Aluminiumwerkstück umfasst;
4 ist eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführung eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer Verbundklebstoffschicht umfasst, die zwischen den Stoßflächen der beiden Werkstücke angeordnet ist, wobei hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Stahlwerkstück umfasst;
5 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer Verbundklebstoffschicht umfasst, die zwischen den Stoßflächen der beiden Werkstücke angeordnet ist, gelegen zwischen einem Satz gegenüberliegender Schweißelektroden, in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen;
6 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode, die gegen eine Oberfläche eines Aluminiumwerkstücks des Werkstückstapels während eines Widerstandspunktschweißens des Stapels gepresst werden kann, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Schweißfläche der in 6 dargestellten Schweißelektrode;
8 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode, die gegen eine Oberfläche eines Stahlwerkstücks des Werkstückstapels während eines Widerstandspunktschweißens des Stapels gepresst werden kann, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
9 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, dargestellt in 5, während eines Durchgangs von elektrischem Strom zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch, wobei der Durchgang elektrischen Stroms ein Schmelzen des Aluminiumwerkstücks, das dem Stahlwerkstück benachbart ist, und die Erzeugung eines Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks herbeigeführt hat;
10 ist eine idealisierte Veranschaulichung, die die Verbundklebstoffschicht des Werkstückstapels kurz vor der Ausbildung eines Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks zeigt;
11 ist eine idealisierte Veranschaulichung, die die reaktiven Teilchen der Verbundklebstoffschicht zeigt, die mit dem Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium zu reagieren beginnen, um Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zu erzeugen;
12 ist eine idealisierte Veranschaulichung, die die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zeigt, die Fragmente eines Restoxidfilms und Fragmente eines Verbundrestfilms in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium und von der Stoßfläche des Stahlwerkstücks weg reißen;
13 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, dargestellt in 5, nachdem ein Durchgang des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch geendet hat, um zu ermöglichen, dass das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium sich in eine Schweißverbindung verfestigt, die die benachbarten bzw. angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke miteinander verschweißt;
14 ist eine Querschnittsdarstellung der Schweißverbindung, die das Aluminiumwerkstück und das benachbarte Stahlwerkstück des Werkstückstapels miteinander verbindet und worin die Schweißverbindung eine Ringwulst aus Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur enthält, die die Schweißbindungsfläche der Schweißverbindung schützt;
15 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der linken Seite der in 14 gezeigten Schweißverbindung, die eine besondere Ausführungsform der Ringwulst aus Aluminidteilchen enthält;
16 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der linken Seite der in 14 gezeigten Schweißverbindung, die eine andere besondere Ausführungsform der Ringwulst aus Aluminidteilchen enthält;
17 ist eine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen gemäß einer anderen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer reaktiven Legierungsschicht umfasst, die einen unmittelbaren Kontakt mit einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks bildet;
18 ist eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführung eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer reaktiven Legierungsschicht umfasst, die einen unmittelbaren Kontakt mit einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks bildet;
19 ist eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführung eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer reaktiven Legierungsschicht enthält, die einen unmittelbaren Kontakt mit einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks bildet, wobei hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Aluminiumwerkstück enthält;
20 ist eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführung eines Werkstückstapels in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen, worin der Stapel überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer reaktiven Legierungsschicht umfasst, die einen unmittelbaren Kontakt mit einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks bildet, wobei hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Stahlwerkstück enthält;
21 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der überlappende Aluminium- und Stahlwerkstücke zusammen mit einer reaktiven Legierungsschicht enthält, die einen unmittelbaren Kontakt mit einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks bildet, gelegen zwischen einem Satz gegenüberliegender Schweißelektroden, in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen;
22 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, dargestellt in 21, während eines Durchgangs elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch, wobei der Durchgang elektrischen Stroms ein Schmelzen des Aluminiumwerkstücks, das dem Stahlwerkstück benachbart ist, und die Erzeugung eines Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks herbeigeführt hat;
23 ist eine idealisierte Veranschaulichung, die die reaktive Legierungsschicht des Werkstückstapels kurz vor der Bildung eines Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks zeigt;
24 ist eine idealisierte Veranschaulichung, die die reaktive Legierungsschicht zeigt, die mit dem Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium reagiert, um Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zu erzeugen;
25 ist eine idealisierte Veranschaulichung, die die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zeigt, die Oxidfragmente und Fragmente organischer Verbundreste in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium und von der Stoßfläche des Stahlwerkstücks weg reißen; und
26 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, dargestellt in 21, nachdem ein Durchgang des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch geendet hat, um zu ermöglichen, dass das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium sich in eine Schweißverbindung verfestigt, die die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke miteinander verschweißt.
DETAILBESCHREIBUNG
Das Punktschweißen eines Aluminiumwerkstücks an ein Stahlwerkstück ist mit einigen bemerkenswerten Herausforderungen verbunden. Wie oben diskutiert wurde, beziehen sich viele der bezeichneten Herausforderungen, die die Fähigkeit zum Punktschweißen jener unähnlichen Metalle erschweren, auf die Anfälligkeit der Schweißverbindung gegenüber einer Beeinträchtigung an der Grenzfläche der Verbindung und der Stoßfläche des Stahlwerkstücks aufgrund von Schweißungleichheiten und des Vorhandenseins einer harten und spröden intermetallischen Schicht. Diese Herausforderungen sind besonders problematisch, wenn ein dazwischenliegendes organisches Material zwischen den beiden Werkstücken an der Stoß-Grenzfläche vorhanden ist, aufgrund der Tatsache, dass während eines Schweißens das organische Material mit einem Restoxidfilm Wechselwirken kann, um einen mechanisch robusteren zusammengesetzten bzw. Verbundrestfilm zu bilden. Als Folge hat die Anwendung herkömmlicher Praktiken für eine Punktschweißung von Stahl an Stahl oder Aluminium an Aluminium auf einen Werkstückstapel, der eine überlappte Anordnung von Aluminium- und Stahlwerkstücken umfasst, eine Tendenz, eine Schweißverbindung zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken zu erzeugen, die einen unbefriedigenden Bruch einer Grenzflächenverbindung zeigt, wenn sie während standardmäßiger Abschäl- oder Querspannungstests einer Belastung ausgesetzt wird.
Hierin wird ein Widerstandspunktschweißverfahren offenbart, das die verschiedenen Herausforderungen angeht, denen die Punktschweißung eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten Stahlwerkstücks unterliegt. Das Verfahren ist verbunden mit einem Anordnen einer Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand entlang der Stoß-Grenzfläche der Aluminium- und Stahlwerkstücke zumindest über die Schweißzone, was bedeutet, dass die Quelle eines diffusionsfähigen reaktiven Metalls in einer Oberflächenbeschichtung des Aluminiumwerkstücks, einer Oberflächenbeschichtung des Stahlwerkstücks oder als verteilte Teilchen innerhalb einer dazwischenliegenden organischen Materialschicht enthalten sein kann, die zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken angeordnet ist. Das reaktive Metall ist jedes beliebige Metall, das in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium, das während einer Punktschweißung erzeugt wird, wandern und mit dem geschmolzenen Aluminium reagieren kann, um Metallaluminidteilchen zu bilden. Zu diesem Zweck bezieht sich eine Quelle eines diffusionsfähigen reaktiven Metalls auf jedes beliebige Material, das ein verdünntes und schwach gebundenes reaktives Metall enthält, so dass es aus dessen Quelle für eine Wanderung in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium leicht gelöst werden kann. Und Quellen, in denen das reaktive Metall fester gebunden ist, werden das reaktive Metall nicht in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium freisetzen. Quellen mit hohen Konzentrationen des reaktiven Metalls bilden eher eine zusammenhängende Aluminidschicht an der Oberfläche des Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium, die eine Wanderung des reaktiven Metalls in das Schmelzbad vorzeitig beendet oder auf andere Weise blockiert.
Die Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand kann in der Form reaktiver Metalllegierungsteilchen vorliegen. Insbesondere verwendet, wie in 1–16 gezeigt und im Folgenden detaillierter beschrieben ist, eine Ausführungsform des offenbarten Verfahrens eine dazwischenliegende Verbundklebstoffschicht zwischen gegenüberliegenden Stoßflächen der Aluminium- und Stahlwerkstücke. Die Verbundklebstoffschicht enthält reaktive Teilchen, die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur bilden können, wenn das Aluminiumwerkstück während eines Durchgangs eines elektrischen Stroms durch die gestapelten Werkstücke hindurch geschmolzen wird und die reaktiven Teilchen dem resultierenden Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium, das innerhalb des Aluminiumwerkstücks erzeugt wird, ausgesetzt werden und damit reagieren. Die reaktiven Teilchen können der Bildung der Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur entgegenkommen, indem sie ein oder mehr reaktive einzelne Metallelemente wie etwa Eisen oder Nickel enthalten, die mit einem Basisträger-Metallelement legiert sind, während sie in einem diffusionsfähigen Zustand bleiben.
Die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur, die durch die Reaktion zwischen den reaktiven Teilchen und dem Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium erzeugt werden, zeigen eine Mobilität in das und innerhalb des Schmelzbades in einer Weise, die die Festigkeitseigenschaften der letztendlich gebildeten Schweißverbindung verbessert. Dieser eine Verbindung stärkende Effekt tritt auf, weil die Aluminidteilchen mit hoher Temperatur in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium wandern und dabei Oxidmaterialfragmente und Fragmente von Resten einer Verbundschicht (falls vorhanden) nach oben in das Schmelzbad heben und befördern, um jene Fragmente davon abzuhalten, sich gegenüber dem Stahlwerkstück abzusetzen. Die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur können sich selbst auch in eine Ringwulst anordnen, die eine Verbindungsgrenzfläche zwischen der Schweißverbindung und der angrenzenden Stoßfläche des Stahlwerkstücks vor einer Rissausbreitung unter einer beaufschlagten Last schützt. Der gebotene Schutz gegen eine Rissausbreitung ist bemerkenswert, da die primäre Ursache eines Versagens einer Grenzflächenverbindung unter einer beaufschlagten Last bzw. Kraft oft ein schnelles Risswachstum durch die intermetallische Schicht ist, das durch grenzflächennahe Schweißunterschiede begünstigt wird.
Das offenbarte Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels 10, der ein Aluminiumwerkstück 12 und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück 14 umfasst, ist in 1–4 allgemein veranschaulicht. Für den Moment auf 1–2 Bezug nehmend, weist der Werkstückstapel 10 eine erste Seite 16 und eine zweite Seite 18 auf und umfasst zumindest das Aluminiumwerkstück 12 und das Stahlwerkstück 14, welche, wie dargestellt, über eine Schweißzone 22 miteinander überlappen und einander benachbart sind, während sie durch eine dazwischenliegende Verbundklebstoffschicht 20 getrennt sind. Die erste Seite 16 des Werkstückstapels 10 wird von einer Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks gebildet, und die zweite Seite 18 wird von einer Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks gebildet. Der Werkstückstapel 10 kann folglich als ein ”2T”-Stapel zusammengesetzt sein, der nur das benachbarte Paar Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 umfasst, oder kann als ein ”3T”-Stapel zusammengesetzt sein, der die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 plus ein zusätzliches Aluminiumwerkstück 28 (Aluminium-Aluminium-Stahl, wie in 3 gezeigt) oder ein zusätzliches Stahlwerkstück 30 (Aluminium-Stahl-Stahl, wie in 4 gezeigt) umfasst, solange die beiden Werkstücke der gleichen Basismetallzusammensetzung nebeneinander angeordnet sind. Der Werkstückstapel 10 kann sogar mehr als drei Werkstücke, wie etwa einen Stapel Aluminium-Aluminium-Stahl-Stahl, einen Stapel Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl oder einen Stapel Aluminium-Stahl-Stahl-Stahl, umfassen.
Das Aluminiumwerkstück 12 enthält ein Aluminiumsubstrat 32, das entweder beschichtet oder unbeschichtet ist. Das Aluminiumsubstrat 32 kann aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die zumindest 85 Gew.-% Aluminium enthält. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, die das Aluminiumsubstrat 32 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Falls es beschichtet ist, umfasst das Aluminiumsubstrat 32 eine Oberflächenschicht 34, die ein natürliches hitzebeständiges Oxidmaterial sein kann, das aus Aluminiumoxidverbindungen und auch möglicherweise anderen Oxidverbindungen besteht, und/oder eine Oxidschicht, die erzeugt wird, während das Aluminiumsubstrat 32 während einer Herstellung erhöhten Temperaturen, z. B. Walzwerkzunder, ausgesetzt ist. Die Oberflächenschicht 34 hat in diesem Fall vorzugsweise eine Dicke, die in einem Bereich von 1 nm bis 20 nm liegt, und kann auf einer Seite oder beiden Seiten (wie gezeigt) des Aluminiumsubstrats 32 vorhanden sein. Berücksichtigt man die Dicke des Aluminiumsubstrats 32 und der optionalen Oberflächenschicht 34, die vorhanden sein kann, hat das Aluminiumwerkstück 12 zumindest an der Schweißzone 22 eine Dicke 120, die von 0,3 mm bis 6,00 mm oder enger von 0,5 mm bis 3,0 mm reicht.
Das Aluminiumsubstrat 32 des Aluminiumwerkstücks 12 kann in bearbeiteter bzw. geschmiedeter oder gegossener Form vorliegen. Zum Beispiel kann das Aluminiumsubstrat 32 aus Feinblech, einem Strangpressteil, einem Schmiedestück oder einem anderen bearbeiteten Gegenstand einer geschmiedeten Aluminiumlegierung der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx bestehen. Alternativ dazu kann das Aluminiumsubstrat 32 aus einem Aluminiumlegierungsgussteil der Serie 4xx.x, 5xx.x, 6xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die das Aluminiumsubstrat 32 bilden können, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, eine AA7574- und AA5182-Aluminium-Magnesium-Legierung, eine AA6111- und AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine AA7003- und AA7055-Aluminium-Zink-Legierung und eine Al-10si-Mg-Aluminium-Druckguss-Legierung. Das Aluminiumsubstrat 32 kann ferner in einer Vielzahl von Härtegraden verwendet werden, einschließlich getempert bzw. geglüht (O), kaltgehärtet (H) und lösungswärmebehandelt (T), falls gewünscht. Der Ausdruck ”Aluminiumwerkstück”, wie er hierin verwendet wird, umfasst folglich unlegiertes Aluminium und einen weiten Bereich von Aluminiumlegierungen, ganz gleich, ob beschichtet oder unbeschichtet, in verschiedenen punktschweißbaren Formen, einschließlich geschmiedeter Feinbleche, Strangpressteile, Schmiedestücke usw. sowie Gussteile.
Das Stahlwerkstück 14 umfasst ein Stahlsubstrat 36 eines von beliebigen einer großen Vielfalt an Güten bzw. Sorten und Festigkeiten, einschließlich jener, die kalt gewalzt oder warm gewalzt sind. Das Stahlsubstrat 36 kann beispielsweise aus weichem unlegiertem Stahl, porenfreiem Stahl, durch Brennen bzw. bakehärtbarem Stahl, niedrig legiertem Stahl hoher Festigkeit (HSLA), Dualphasenstahl (DP), Komplexphasenstahl (CP), martensitischem Stahl (MART), Stahl mit umwandlungsinduzierter Plastizität (TRIP-Stahl), Stahl mit windungsinduzierter Plastizität (TWIP) und Borstahl bestehen, wie etwa wenn das Stahlwerkstück 14 pressgehärteten Stahl (PHS) enthält, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Bevorzugte Zusammensetzungen des Stahlsubstrats 36 umfassen jedoch weichen unlegierten Stahl, Dualphasenstahl und Borstahl, die bei der Herstellung von pressgehärtetem Stahl verwendet werden. Jene drei Stahltypen weisen höchste Zugfestigkeiten auf, die von 150 MPa bis 350 MPa, von 500 MPa bis 1100 MPa bzw. von 1200 MPa bis 1800 MPa reichen.
Das Stahlwerkstück 14 kann außerdem eine Oberflächenschicht 38 auf einer Seite oder auf beiden Seiten (wie gezeigt) des Stahlsubstrats 36 umfassen. Im vorliegenden Fall kann die Oberflächenschicht 38, die über dem Stahlsubstrat 36 liegt, eine beliebige einer großen Vielfalt von geeigneten Beschichtungszusammensetzungen sein. Beispielsweise kann die Oberflächenschicht 38 aus Zink (galvanisiert), Nickel, einer Zink-Eisen-Legierung (nach dem Verzinken wärmebehandelt), einer Zink-Nickel-Legierung, Aluminium, einer Aluminium-Magnesium-Legierung, einer Aluminium-Zink-Legierung oder einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehen. Der Ausdruck ”Stahlwerkstück” umfasst folglich eine große Vielfalt von Stahlsubstraten, ganz gleich, ob beschichtet oder unbeschichtet, verschiedener Guten und Festigkeiten und umfasst ferner jene, die Behandlungen vor einem Schweißen wie Glühen, Abschrecken und/oder Tempern wie etwa in der Produktion von pressgehärtetem Stahl durchlaufen haben. Berücksichtigt man die Dicke des Stahlsubstrats 36 und der optionalen Oberflächenschicht 38, die vorhanden sein kann, hat das Stahlwerkstück 14 zumindest bei der Schweißzone 22 eine Dicke 140, die von 0,3 mm bis 6,00 mm oder enger von 0,6 mm bis 2,5 mm reicht.
Die Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks und die Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks, die die ersten und zweiten Seiten 16, 18 des Werkstückstapels 10 bilden, können durch die benachbarten und übereinandergelegten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 präsentiert werden, wenn der Stapel 10 als ein ”2T”-Stapel zusammengesetzt ist. Wenn beispielsweise die beiden Werkstücke 12, 14 für eine Punktschweißung im Kontext der in 1–2 gezeigten Ausführungsform gestapelt sind, umfasst das Aluminiumwerkstück 12 eine Stoßfläche 40 und eine Rückseite 42, und das Stahlwerkstück 14 umfasst gleichfalls eine Stoßfläche 44 und eine Rückseite 46. Die Stoßflächen 40, 44 der beiden Werkstücke 12, 14 überlappen sich und liegen über die zusammengesetzte bzw. Verbundklebstoffschicht 20 einander gegenüber, um eine Stoß-Grenzfläche 48 innerhalb der Schweißzone 22 einzurichten. Die Rückseiten 42, 46 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 sind auf der anderen Seite an der Schweißzone 22 in entgegengesetzte Richtungen voneinander abgewandt und bilden die Oberflächen 24, 26 des Aluminium- bzw. Stahlwerkstücks des Stapels 10.
Der Ausdruck ”Stoß-Grenzfläche 48” wird in der vorliegenden Offenbarung weit gefasst verwendet und umfasst jegliche überlappende bzw. übereinandergelegte und gegenüberliegende Beziehung zwischen den Stoßflächen 40, 44, in der ein Widerstandspunktschweißen praktiziert werden kann, einschließlich verschiedener Formen eines direkten und/oder indirekten Kontakts. Wie hier in 1–2 gezeigt ist, können in der Tat die Stoßflächen 40, 44 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 vor einem Stromfluss und der Erzeugung des Schmelzbads aus geschmolzenem Aluminium in indirektem Kontakt stehen. Die Stoßflächen 40, 44 stehen bei der Schweißzone 22 in indirektem Kontakt, wenn sie nicht in einem direkten Grenzflächenkontakt miteinander stehen, aber nichts desto trotz durch eine Grenzfläche mit gegenüberliegenden Seiten der zusammengesetzten Klebstoffschicht 20 getrennt sind. Das Vorhandensein der zusammengesetzten Klebstoffschicht 20 zwischen den Stoßflächen 40, 44 ermöglicht ziemlich einfach ein durchgehendes Punktschweißen, wie im Folgenden weiter beschrieben werden wird, und hemmt somit nicht nachteilig eine Kommutierung eines elektrischen Stroms zwischen den Oberflächen 40, 44.
Die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 kann zwischen den Stoßflächen 40, 44 der benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 angeordnet sein und enthält eine strukturelle, duroplastische Klebstoffmatrix 50 und reaktive Teilchen 52, die innerhalb der Matrix 50 verteilt sind. Dies ist am besten in der partiellen vergrößerten Veranschaulichung von 2 dargestellt. Die strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix 50 kann ein beliebiger aushärtbarer Strukturklebstoff sein, einschließlich beispielsweise unter Wärme aushärtbares Epoxid oder unter Wärme aushärtbares Polyurethan. Einige spezifische Beispiele unter Wärme aushärtbarer struktureller Klebstoffe, die als die Klebstoffmatrix 50 verwendet werden können, umfassen DOW Betamate 1486, Henkel Terokal 5089 und Uniseal 2343, die alle kommerziell erhältlich sind. Außerdem kann, obgleich in 2 nicht dargestellt, die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 ferner optionale Füllstoffteilchen wie etwa Siliziumdioxidteilchen enthalten, die in der Klebstoffmatrix 50 überall verteilt sind, um das Viskositätsprofil oder andere Eigenschaften des zusammengesetzten Klebstoffs bzw. Verbundklebstoffs für Fertigungsoperationen zu modifizieren. Die dazwischenliegende zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 hat durch die Schweißzone 22 vorzugsweise eine Dicke 200, die von 0,1 mm bis 2,0 mm oder enger von 0,2 mm bis 1,0 mm reicht.
Die innerhalb der strukturellen duroplastischen Klebstoffmatrix 50 verteilten reaktiven Teilchen 52 sind Metalllegierungsteilchen, die die Quelle eines diffusionsfähigen reaktiven Metalls bilden. Die reaktiven Teilchen 52 umfassen ein Basis-Metallelement und ein oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente, die mit dem Basis-Metallelement in einem diffusionsfähigen Zustand legiert sind. Das Basis-Metallelement ist vorzugsweise Zink oder irgendein anderes Metallelement, das in dem während einer Punktschweißung gebildeten Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium leicht löslich ist. Jedes der ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente kann ein beliebiges Metallelement sein, das mit geschmolzenem Aluminium in dem Schmelzbad Wechselwirken kann, um Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zu bilden. Bevorzugte reaktive einzelne Metallelemente, die auf diese Weise reagieren können, umfassen zumindest einige der folgenden: (1) Eisen (Fe), (2) Nickel (Ni), (3) Kobalt (Co) oder (4) Mangan (Mn). Einige Beispiele geeigneter reaktiver Teilchen 52 umfassen Zn-Fe-Legierungsteilchen, Zn-Ni-Legierungsteilchen, Zn-Fe-Ni-Legierungsteilchen, Zn-Co-Legierungsteilchen, Zn-Fe-Mn-Legierungsteilchen und Zn-Ni-Mn-Legierungsteilchen, wobei Zn-Fe-Legierungs- und Zn-Ni-Legierungsteilchen am meisten bevorzugt werden. Die reaktiven Teilchen 52 können so bemessen sein, dass sie einen mittleren Durchmesser aufweisen, der von 0,01 mm bis 2,0 mm oder enger von 0,2 mm bis 1,0 mm reicht.
Die ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente sind mit dem Basis-Metallelement in einen diffusionsfähigen Zustand legiert, wenn sie für eine Wanderung in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium leicht aus dem Basis-Metallelement freigesetzt werden können. Solch ein diffusionsfähiger Zustand kann erreicht werden, wenn die ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente innerhalb des Basis-Metallelements schwach gebunden und ausreichend verdünnt oder verteilt sind. In der Tat wird ein Basis-Metallelement, das die ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente zu stark bindet, nur einen vernachlässigbaren Anteil des (der) einzelnen Metallelements (Metallelemente) in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium freisetzen, während reaktive Teilchen 52, die eine zu hohe Konzentration eines reaktiven einzelnen Metallelements (Metallelemente) aufweisen, eher eine zusammenhängende Aluminidschicht an der Oberfläche des Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium bilden, die die Wanderung des (der) reaktiven einzelnen Metallelements (Metallelemente) in das Schmelzbad vorzeitig beendet oder teilweise blockiert. Ein diffusionsfähiger Zustand der ein oder mehr einzelnen Metallelemente kann typischerweise erreicht werden, wenn das Basis-Metallelement Zink ist und die reaktiven Teilchen 52 insgesamt bis zu 35 At-% oder eher vorzugsweise zwischen 10 At-% und 25 At-% der ein oder mehr einzelnen Metallelemente enthalten.
Die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20, die zwischen den Stoßflächen 40, 44 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 angeordnet ist, ist multifunktional. Innerhalb der Schweißzone 22 setzt die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium, das während eines Stromflusses erzeugt wird, den reaktiven Teilchen 52 aus, was wiederum eine Wanderung der reaktiven einzelnen Metallelemente in das Schmelzbad erleichtert, wo sie letztendlich mit geschmolzenem Aluminium reagieren, um die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zu bilden, wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird. Die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur, die von den reaktiven Teilchen 52 in der zusammengesetzten Klebstoffschicht 20 abgeleitet werden, können Fragmente eines Restoxidfilms und Fragmente eines Verbundrestfilms in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium und vom Stahlwerkstück 14 weg befördern. Sie haben auch eine Tendenz, sich in eine Ringwulst zusammenzuballen, der die Schweißverbindung gegen eine Grenzflächen-Rissausbreitung schützt. Außerhalb der Schweißzone 22 bleibt die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 im Wesentlichen ungestört und kann eine zusätzliche Bindung zwischen den Stoßflächen 40, 44 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 liefern, wenn nach einem Punktschweißen der Werkstückstapel 10 in einem ELPO-Backofen oder einer anderen Vorrichtung erhitzt wird, um die strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix 50 zu härten.
Natürlich ist, wie in 3–4 gezeigt ist, der Werkstückstapel 10 nicht auf den Einschluss nur des Aluminiumwerkstücks 12 und des benachbarten Stahlwerkstücks 14 beschränkt. Der Werkstückstapel 10 kann auch so zusammengesetzt werden, dass er – zusätzlich zu den benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 – das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 oder das zusätzliche Stahlwerkstück 30 umfasst, solange das zusätzliche Werkstück dem Werkstück 12, 14 der gleichen Basis-Metallzusammensetzung benachbart angeordnet ist; das heißt, das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 wird dem Aluminiumwerkstück 12 benachbart angeordnet, und das zusätzliche Stahlwerkstück 30 wird dem Stahlwerkstück 14 benachbart angeordnet. Im Hinblick auf die Eigenschaften des zusätzlichen Werkstücks sind die Beschreibungen des Aluminiumwerkstücks 12 und des Stahlwerkstücks 14, die oben geliefert wurden, auf das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 oder das zusätzliche Stahlwerkstück 30 anwendbar, das im Werkstückstapel 10 enthalten sein kann. Es sollte jedoch besonders erwähnt werden, dass, während die gleichen allgemeinen Beschreibungen gelten, es nicht erforderlich ist, dass die beiden Aluminiumwerkstücke 12, 28 oder die beiden Stahlwerkstücke 14, 30 eines 3T-Stapels im Hinblick auf Zusammensetzung, Dicke oder Form (z. B. bearbeitet bzw. geschmiedet oder gegossen) identisch sind.
Wie in 3 gezeigt ist, kann zum Beispiel der Werkstückstapel 10 die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 die oben beschrieben wurden, zusammen mit dem zusätzlichen Aluminiumwerkstück 28 umfassen, das das Aluminiumwerkstück 12 überdeckt und diesem benachbart ist. Wenn das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 so positioniert ist, bildet die Rückseite 46 des Stahlwerkstücks 14 die Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks, die die zweite Seite 18 des Werkstückstapels 18 wie zuvor bildet, während das Aluminiumwerkstück 12, das dem Stahlwerkstück 14 benachbart ist, nun ein Paar gegenüberliegende Stoßflächen 40, 54 umfasst. Die Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12, die dem Stahlwerkstück 14 zugewandt ist, bildet weiterhin die Stoß-Grenzfläche 48 über die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 zusammen mit der gegenüberliegenden Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14, wie zuvor beschrieben wurde. Die andere Stoßfläche 54 des Aluminiumwerkstücks 12 überdeckt eine Stoßfläche 56 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 28 und liegt ihr gegenüber. Schlechthin bildet in dieser besonderen Anordnung überlappter Werkstücke 28, 12, 14 eine Rückseite 58 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 28 nun die Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks, die die erste Seite 16 des Werkstückstapels 10 bildet.
In einem anderen Beispiel kann, wie in 4 gezeigt ist, der Werkstückstapel 10 die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14, die oben beschrieben wurden, zusammen mit dem zusätzlichen Stahlwerkstück 30 umfassen, das das Stahlwerkstück 14 überdeckt und ihm benachbart angeordnet ist. Wenn das zusätzliche Stahlwerkstück 30 so positioniert ist, bildet die Rückseite 42 des Aluminiumwerkstücks 12 die Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks, die die erste Seite 16 des Werkstückstapels 10 wie zuvor bildet, während das Stahlwerkstück 14, das dem Aluminiumwerkstück 12 benachbart ist, nun ein Paar gegenüberliegende Pass- bzw. Stoßflächen 44, 60 umfasst. Die Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14, die dem Aluminiumwerkstück 12 zugewandt ist, bildet weiterhin die Stoß-Grenzfläche 48 zusammen mit der gegenüberliegenden Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12, wie vorher beschrieben wurde. Die andere Stoßfläche 60 des Stahlwerkstücks 14 überdeckt eine Stoßfläche 62 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 30 und liegt ihr gegenüber. Schlechthin bildet nun in dieser besonderen Anordnung überlappter bzw. übereinandergelegter Werkstücke 12, 14, 30 eine Rückseite 64 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 30 die Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks, die die zweite Seite 18 des Werkstückstapels 10 bildet.
Wendet man sich nun 5 zu, ist der Werkstückstapel 10, nachdem er in einer überlappenden Konfiguration zusammengesetzt ist, zusammen mit einer ersten Schweißelektrode 66 und einer zweiten Schweißelektrode 68 einer größeren (teilweise dargestellten) Widerstandspunktschweißpistole dargestellt. Jede der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 wird von der Schweißpistole getragen, welche von jedem beliebigen geeigneten Typ sein kann, einschließlich beispielsweise einer Schweißpistole vom C-Typ oder X-Typ. Außerdem sind, wie hier schematisch veranschaulicht ist, die Schweißelektroden 66, 68 mit einer Stromversorgung 70 elektrisch gekoppelt, die in der Lage ist, elektrischen Strom zwischen den Schweißelektroden 66, 68 und durch den Werkstückstapel 10 hindurch gemäß einem programmierten Schweißplan zu liefern, der von einem Schweiß-Controller 72 verwaltet bzw. geführt wird. Die Schweißpistole kann auch mit Kühlmittelleitungen und einem zugeordneten Steuerungsgerät ausgestattet sein, um während Punktschweißoperationen ein Kühlmittelfluid wie etwa Wasser an jede der Schweißelektroden 66, 68 zu liefern.
Die Schweißpistole umfasst einen ersten Pistolenarm 74 und einen zweiten Pistolenarm 76. Der erste Pistolenarm 74 ist mit einem Schaft 78 ausgestattet, der die erste Schweißelektrode 66 sichert und hält, und der zweite Pistolenarm 76 ist mit einem Schaft 80 ausgestattet, der die zweite Schweißelektrode 68 sichert und hält. Die gesicherte Halterung der Schweißelektroden 66, 68 auf ihren jeweiligen Schäften 78, 80 kann mittels Schaftadapter bewerkstelligt sein, die an axialen freien Enden der Schäfte 78, 80 gelegen sind und von den Elektroden 66, 68 in bekannter Weise aufgenommen werden. Die ersten und zweiten Schweißpistolenarme 74, 76 dienen dazu, die Schweißelektroden 66, 68 aufeinander zu zusammenzuführen oder zu drücken und bei der Schweißzone 22 eine Klemmkraft auf den Werkstückstapel 10 aufzubringen, wenn die Elektroden 66, 68 einmal mit dem Stapel 10 in Kontakt gebracht sind. Die zusammenführenden und auseinanderführenden Bewegungen der Pistolenarme 74, 76 werden typischerweise durch einen Servomotor ausgelöst bzw. in Gang gesetzt, wie von einer (auch nicht dargestellten) Pistolensteuerung angewiesen wird, obgleich in anderen Ausführungsformen die Pistolenarme 74, 76 pneumatisch betätigt werden können.
Die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 können in einer Weise aufgebaut sein, die einen Durchgang eines elektrischen Stroms (konstant, gepulst usw.) durch den Werkstückstapel 10 hindurch bei der Schweißzone 22 erleichtert bzw. ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind jedoch, wie in 6–8 dargestellt ist, die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 im Aufbau asymmetrisch, um den materiell unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (z. B. Schmelzpunkt, thermische Leitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen usw.) der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 Rechnung zu tragen. Insbesondere ist die erste Schweißelektrode 66 so entworfen, dass sie das hitzebeständige Oxidmaterial auf dem Aluminiumwerkstück 12, falls vorhanden, aufbricht und das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium enthält, das innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12 wächst. Die zweite Schweißelektrode 68 ist auf der anderen Seite so entworfen, dass sie Strom innerhalb des Stahlwerkstücks 14 (in Bezug auf das Aluminiumwerkstück 12) konzentriert und auch eine gewisse Verformung des Stahlwerkstücks 14 während eines elektrischen Stromflusses bewirkt. Dies nutzt die geringe Leitfähigkeit – sowohl thermisch als auch elektrisch – des Stahlwerkstücks 14 sowie dessen erhöhten Schmelzpunkt in Bezug auf das Aluminiumwerkstück 12 aus. Andere Schweißelektrodenkombinationen können natürlich in alternativen Ausführungsformen genutzt werden, einschließlich zum Beispiel der Verwendung symmetrischer Schweißelektroden, die jeweils die in 6–7 dargestellte und im Folgenden beschriebene Struktur aufweisen.
Die erste Schweißelektrode 66 ist in 6–7 veranschaulicht und umfasst einen Elektrodenkörper 82 und eine Schweißfläche 84. Der Elektrodenkörper 82 ist vorzugsweise zylinderförmig und umfasst ein vorderes Ende 86 mit einem Umfang 820. Ein Durchmesser 822 des Körpers 82, genommen an dessen Umfang 820 am vorderen Ende, liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 12 mm bis 22 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 16 mm bis 20 mm. Die Schweißfläche 84 ist auf dem vorderen Ende 86 des Körpers 82 angeordnet und hat einen Umfang 840, der mit dem Umfang 820 des vorderen Endes 86 des Körpers 82 übereinstimmt (eine ”Vollflächenelektrode”) oder ist vom Umfang 820 des vorderen Endes 86 durch eine Übergangsnase 88 einer kegelstumpfförmigen oder abgeschnittenen sphärischen Form bis zu einer Distanz zwischen 2 mm und 10 mm nach oben versetzt. Falls die Übergangsnase 88 kegelstumpfförmig ist, liegt der Abschneidewinkel vorzugsweise zwischen 30° und 60° von einer horizontalen Ebene des Schweißflächenumfangs 840. Falls die Übergangsnase 88 sphärisch ist, liegt der Krümmungsradius der Übergangsnase 88 vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm.
Die Schweißfläche 84 der ersten Schweißelektrode hat vorzugsweise einen Durchmesser 842, gemessen an deren Umfang 840, der innerhalb des Bereichs von 6 mm bis 22 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 8 mm bis 15 mm liegt. In Bezug auf deren Form umfasst die Schweißfläche 84 eine Basisschweißflächenoberfläche 90, die konvex gewölbt ist. Schlechthin steigt die Basisschweißflächenoberfläche 90 vom Umfang 840 der Schweißfläche 84 an. In einer Ausführungsform kann die Basisschweißflächenoberfläche 90 sphärisch geformt sein mit einem Krümmungsradius, der innerhalb des Bereichs von 15 mm bis 300 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 20 mm bis 50 mm liegt. Außerdem enthält die Schweißfläche 84 eine Reihe aufrechter kreisförmiger Grate 92, die von der Basisschweißflächenoberfläche 90 nach außen vorstehen. Diese kreisförmigen Grate 92 ermöglichen, dass die erste Schweißelektrode 66 einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt mit der Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks schafft, indem, falls vorhanden, die mechanisch robuste und elektrisch isolierende hitzebeständige Oxidschicht, die typischerweise das Aluminiumsubstrat 32 überzieht, unter Spannung gesetzt und aufgebrochen wird.
Die Reihe aufrechter kreisförmiger Grate 92 ist vorzugsweise um eine Achse 94 der Schweißfläche 84 zentriert und umgibt diese. Die Basisschweißflächenoberfläche 90, von der aus die Grate 92 vorstehen, können 50% oder mehr und vorzugsweise zwischen 50% und 80% der Oberfläche der Schweißfläche 84 ausmachen. Die verbleibende Oberfläche wird der Reihe aufrechter kreisförmiger Grate 92 zugeschrieben, die vorzugsweise beliebig zwei bis zehn Grate 92 und enger 3 bis 5 Grate 92 umfasst. Die mehreren aufrechten kreisförmigen Grate 92 sind mittels ringförmiger Bereiche der Basisschweißflächenoberfläche 90 radial voneinander beabstandet, so dass die aufrechten Grate 92 im Durchmesser größer werden, wenn man sich von einem innersten aufrechten Grat 92', der die Achse 94 der Schweißfläche 84 unmittelbar umgibt, zu einem äußersten aufrechten Grat 92'' bewegt, der dem Umfang 840 der Schweißfläche 84 am nächsten gelegen ist.
Die Größe und Form der aufrechten kreisförmigen Grate 92 unterliegen einer gewissen Variabilität. In einer Ausführungsform hat, wie in 6–7 gezeigt ist, jeder der aufrechten kreisförmigen Grate 92 einen geschlossenen Umfang, was bedeutet, dass der Grat 92 kontinuierlich gekrümmt und dessen Umfang nicht unterbrochen ist, mit einen Querschnittsprofil, das keine scharfen Ecken aufweist und eine gekrümmte (wie dargestellt) oder flache Oberseite aufweist. Außerdem hat jeder der aufrechten kreisförmigen Grate 92 auch eine Grathöhe 92h – genommen am Mittelpunkt des Grats 92 –, die sich von der Basisschweißflächenoberfläche 90 im Querschnitt betrachtet nach oben erstreckt. Die Grathöhe 92h jedes Grats 92 reicht vorzugsweise von 20 μm bis 400 μm oder enger von 50 μm bis 300 μm. Der Abstand der Grate 92, wie er zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Graten 92 gemessen wird, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 μm bis 1800 μm oder enger von 80 μm bis 1500 μm. Jeder der aufrechten kreisförmigen Grate 92 ist im Querschnitt vorzugsweise halbkreisförmig, abgeschnitten halbkreisförmig oder dreieckig.
Die zweite Schweißelektrode 68 ist in 8 veranschaulicht und umfasst einen Elektrodenkörper 96 und eine Schweißfläche 98. Der Elektrodenkörper 96 ist vorzugsweise zylinderförmig und umfasst ein vorderes Ende 100 mit einem Umfang 960. Ein Durchmesser 962 des Körpers 96 an dessen Umfang 960 am vorderen Ende liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 12 mm bis 22 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 16 mm bis 20 mm. Die Schweißfläche 98 ist an dem vorderen Ende 100 des Körpers 96 angeordnet und hat einen Umfang 980, der mit dem Umfang 960 des vorderen Endes 100 des Körpers 96 übereinstimmt (eine ”Vollflächenelektrode”) oder ist vom Umfang 960 des vorderen Endes 100 bis zu einer Distanz zwischen 2 mm und 10 mm durch eine Übergangsnase 102 einer kegelstumpfförmigen oder abgeschnitten sphärischen Form nach oben versetzt. Falls die Übergangsnase 102 kegelstumpfförmig ist, liegt der Abschneidewinkel vorzugsweise zwischen 15° und 50° von einer horizontalen Ebene des Umfangs 980 der Schweißfläche. Falls die Übergangsnase 102 sphärisch ist, beträgt der Krümmungsradius der Übergangsnase 102 vorzugsweise zwischen 6 mm und 20 mm oder enger zwischen 8 mm und 12 mm.
Die Schweißfläche 98 der zweiten Schweißelektrode 68 hat eine Achse 104 und einen Durchmesser 982, gemessen an deren Umfang 980, der vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3 mm bis 16 mm und enger innerhalb des Bereichs von 4 mm bis 8 mm liegt. In Bezug auf ihre Form umfasst die Schweißfläche 98 eine Basisschweißflächenoberfläche 106, die planar oder konvex gewölbt sein kann. Falls sie konvex gewölbt ist, steigt die Basisschweißflächenoberfläche 106 von dem Umfang 980 der Schweißfläche 98 an. In einer Ausführungsform kann die Basisschweißflächenoberfläche 106 sphärisch geformt sein mit einem Krümmungsradius, der innerhalb des Bereichs von 25 mm bis 400 mm oder enger innerhalb des Bereichs von 25 mm bis 100 mm liegt. Die Basisschweißflächenoberfläche 106 ist über die gesamte Oberfläche der Schweißfläche 98 vorzugsweise glatt. Solch eine glatte Basisschweißflächenoberfläche 106 ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, da die Schweißfläche 98 der zweiten Schweißelektrode 68 auch eine Reihe aufrechter kreisförmiger Grate oder anderer vorstehender oder eindringender Oberflächenmerkmale umfassen kann, falls gewünscht.
Die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 können aus jedem elektrisch und thermisch leitfähigem Material aufgebaut sein, das für Punktschweißanwendungen geeignet ist. Beispielsweise können die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 aus einer Kupferlegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von zumindest 70% IACS oder eher bevorzugt zumindest 90% IACS und einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK oder bevorzugter zumindest 350 W/mK aufgebaut sein. Ein spezifisches Beispiel einer Kupferlegierung, die für die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 verwendet werden kann, ist eine Kupfer-Zirkonium-Legierung (CuZr), die 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Zirkonium und den Rest an Kupfer enthält. Andere Kupferlegierungszusammensetzungen sowie andere, hier nicht explizit aufgeführte Metallzusammensetzungen, die geeignete mechanische Eigenschaften sowie elektrische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften besitzen, können ebenfalls verwendet werden. Als ein alternatives Beispiel kann beispielsweise die erste Schweißelektrode 66 und/oder die zweite Schweißelektrode 68 aus einer Kupfer-Chrom-Legierung, einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung, Kupfer mit einer Aluminiumoxidverteilung oder einem Wolfram-Kupfer-Metallverbund aufgebaut sein, der zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% einer Wolframteilchenphase enthält, die in einer Kupfermatrix verteilt ist, die den Rest (zwischen 50 Gew.-% und 10 Gew.-%) ausmacht.
Das Widerstandspunktschweißverfahren beginnt, indem der Werkstückstapel 10 zusammengesetzt und dann die erste und zwei Schweißelektrode 66, 68 in Bezug auf den Werkstückstapel 10 so positioniert werden, dass die Schweißfläche 84 der ersten Schweißelektrode 66 (worauf auch als die ”erste Schweißfläche 84” verwiesen wird) der Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks gegenüberliegt und die Schweißfläche 98 der zweiten Schweißelektrode 68 (worauf auch als die ”zweite Schweißfläche 98 verwiesen wird) der Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks gegenüberliegt, wie in 5 und 9 gezeigt ist. Die erste Schweißfläche 84 und die zweite Schweißfläche 98 werden dann gegen ihre jeweiligen Oberflächen 24, 26 der Aluminium- und Stahlwerkstücke in einander zugewandter Ausrichtung unter einer beaufschlagten Klemmkraft bei der Schweißzone 22 gepresst. Die beaufschlagte Klemmkraft liegt vorzugsweise in einem Bereich von 400 lb bis 2000 lb oder enger von 600 lb bis 1300 lb. Während nur die Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14, die überlappen und einander benachbart sind, wodurch die Stoß-Grenzfläche 48 über die zusammengesetzte Klebstoffschicht 20 eingerichtet wird, in dieser Figur dargestellt sind, gilt die folgende Diskussion des Widerstandspunktschweißverfahrens gleichermaßen für Fälle, in denen der Werkstückstapel 10 das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 oder das zusätzliche Stahlwerkstück 30 enthält (3–4).
Nachdem die Schweißflächen 84, 98 der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 gegen die Aluminium- und Stahlwerkstückoberflächen 24 bzw. 26 des Werkstückstapels 10 gepresst sind, wird elektrischer Strom zwischen den Schweißelektroden 66, 68 über ihre zugewandt ausgerichteten Schweißflächen 84, 98 geleitet. Der elektrische Strom, der zwischen den Schweißflächen 84, 98 ausgetauscht wird, wird von der Stromversorgung 70 geliefert, welche vorzugsweise eine mittelfrequente Gleichstrom-(MFDC-)Umrichter-Stromversorgung ist, die einen Inverter bzw. Umrichter und einen MFDC-Transformator enthält. Ein MFDC-Transformator kann von mehreren Lieferanten, einschließlich Roman Manufacturing (Grand Rapids, MI), ARO Welding Technologies (Chesterfield Township, MI) und Bosch Rexroth (Charlotte, NC), kommerziell erhalten werden. Die Eigenschaften des gelieferten elektrischen Stroms werden durch den Schweiß-Controller 72 gesteuert. Konkret erlaubt der Schweiß-Controller 72 einem Nutzer, einen Schweißplan zu programmieren, der die Wellenform des elektrischen Stroms, der zwischen den Schweißelektroden 66, 68 ausgetauscht wird, einstellt. Der Schweißplan ermöglicht eine angepasste Steuerung des Strompegels zu jeder gegebenen Zeit und der Dauer eines Stromflusses bei jedem gegebenen Strompegel, unter anderem, und ermöglicht ferner, dass solche Eigenschaften des elektrischen Stroms auf Änderungen in sehr kleinen Zeitschritten bis hinab zu Bruchteilen einer Millisekunde ansprechen.
Der elektrische Strom, der zwischen den Schweißflächen 84, 98 der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 ausgetauscht wird, gelangt durch den Werkstückstapel 10 hindurch und über die Stoß-Grenzfläche 48, die zwischen den benachbarten und gegenüberliegenden Stoßflächen 40, 44 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 eingerichtet ist. Der ausgetauschte elektrische Strom ist vorzugsweise elektrischer Gleichstrom, der über die Zeit konstant oder gepulst ist, oder eine gewisse Kombination der beiden und hat einen Strompegel, der von 5 kA bis 50 kA reicht und 40 ms bis 2500 ms andauert. Der Widerstand gegenüber dem Fluss des elektrischen Stroms zersetzt anfangs thermisch die strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix 50 der zusammengesetzten Klebstoffschicht 20 und schmilzt dann schnell das Aluminiumsubstrat 32 und erzeugt innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12 ein Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium, wie in 9 gezeigt ist. Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium dringt in das Aluminiumwerkstück 12 eine Distanz ein, die von 20% bis 100% der Dicke 120 des Aluminiumwerkstücks 12 reicht, und besteht vorwiegend aus geschmolzenem Aluminiummaterial, das aus dem Aluminiumsubstrat 32 abgeleitet wurde. Das Stahlsubstrat 36 schmilzt nicht und trägt während eines Stromflusses wegen seines verhältnismäßig hohen Schmelzpunktes, verglichen mit dem Aluminiumsubstrat 32, keinen geschmolzenen Stahl zum Volumen des Schmelzbads 108 aus geschmolzenem Aluminium bei.
Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium gelangt durch Brüche oder andere Trennungen in der teilweise zersetzten zusammengesetzten Klebstoffschicht 20 und der hitzebeständigen Oberflächenoxidschicht 34 (falls vorhanden) auf dem Aluminiumwerkstück 12 unter der Drucklast, die durch die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 ausgeübt wird, und benetzt die benachbarte Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 innerhalb der Schweißzone 22. Dabei wird das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium den reaktiven Teilchen 52 ausgesetzt, die innerhalb der zusammengesetzten Klebstoffschicht 20 verteilt sind. Wenn dies geschieht, entweichen die reaktiven einzelnen Metallelemente der reaktiven Teilchen 52 (z. B. Fe, Ni, Co, Mn) aus dem Basis-Metallelement und wandern in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium, wo sie mit dem geschmolzenem Aluminium reagieren, um Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur zu bilden (11). Solche Aluminidteilchen 110 sind reich an Aluminium und enthalten außerdem das (die) einzelne(n) Metallelement(e) und/oder Eisen. Teilchen sind reich an Aluminium, wenn sie zumindest 20 At-% Aluminium enthalten. In der Tat werden die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur zwischen 20 At-% und 80 At-% Aluminium und zwischen 20 At-% und 80 At-% des (der) reaktiven einzelnen Metallelements (Metallelemente) und/oder Eisen enthalten. Eisen kann in dem Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur vorhanden sein, da über die Zeit Eisen, das aus dem Stahlwerkstück 14 extrahiert und in dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium gelöst wird, einige der oder alle reaktiven einzelnen Metallelemente in den Aluminidteilchen 110 ersetzen kann. Dazu können einige der Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur zumindest 20 At-% Aluminium und enger zwischen 20 At-% und 80 At-% Aluminium zusammen mit zumindest einem von Fe, Ni, Co, Mn oder einer Kombination davon (d. h. zwei oder mehr von Fe, Ni, Co, Mn) enthalten. Einige spezifische Beispiele von Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur, die in dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium gebildet werden können, sind unter anderen Teilchen aus NiAl₃, NiMnAl, FeAl₃, Fe₂Al₅, und FeMnAl.
Man ist der Ansicht, dass die Einführung der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium etwaige Fragmente eines Restoxidfilms und Fragmente eines Verbundrestfilms in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium und von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg befördert. Ohne Einschränkung durch die Theorie und mit Verweis auf die idealisierten Veranschaulichungen der 10–12 glaubt man, dass die Druckkraft, die durch die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 ausgeübt wird, und das Aufweichen des Aluminiumwerkstücks 12 während eines Stromflusses bewirken, dass die Oberflächenschicht 34 eines hitzebeständigen Oxidmaterials, falls vorhanden, aufzubrechen beginnt, wodurch Fragmente 112 eines Restoxidfilms erzeugt werden. Dieser anfängliche Vorgang ist in 10 dargestellt. Zur gleichen Zeit beginnt aufgrund ihrer verhältnismäßig niedrigen Schmelztemperatur die Oberflächenschicht 38 auf dem Stahlwerkstück 14, falls vorhanden, zu schmelzen, falls sie aus Zink besteht. Ein Schmelzen der Zinkoberflächenschicht 38 auf dem Stahlwerkstück 14 kann dabei helfen, eine Wanderung der reaktiven einzelnen Metallelemente in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium zu induzieren, indem damit begonnen wird, das Basis-Metallelement der reaktiven Teilchen 52 über Zersetzung zu verbrauchen.
Bevor das Aluminiumwerkstück 12 schmilzt, um das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium zu bilden, zersetzt sich thermisch die strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix 50 der zusammengesetzten Klebstoffschicht 20. Die thermische Zersetzung der strukturellen duroplastischen Klebstoffmatrix 50 wandelt die Matrix 50 in Fragmente 114 eines Verbundrestfilms um, der aus zum Beispiel wärmebeständigem Oxidmaterial und verbleibenden organischen Stoffen wie Kohlenstoffasche besteht. Wie in 11 gezeigt ist, sickert das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium durch die Brüche und Fissuren zwischen den Fragmenten 112 des Restoxidfilms und den Fragmenten 114 des Verbundrestfilms, um die Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 zu benetzen und in diesem Prozess geschmolzenes Aluminium mit den reaktiven Teilchen 52 in Kontakt zu bringen. Diese Art von Kontakt zwischen dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium und den reaktiven Teilchen 52 führt zu einer diffusiven Wanderung der reaktiven einzelnen Metallelemente in das Schmelzbad 108 und der Bildung der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur unterhalb der Fragmente 112, 114.
Als Nächstes werden, wie in 12 veranschaulicht ist, die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur aufwärts und von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg in die heißeren Bereiche des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium gezogen. Beim Verfolgen dieser Bahnkurve bewirken die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur, dass die Fragmente 112 des Restoxidfilms und die Fragmente 114 des Verbundrestfilms von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg und in das innere Gebiet des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium befördert werden, wobei folglich jene Fragmente 112, 114 zu einer harmloseren Stelle umverteilt werden. Außerdem sammeln sich in vielen Fällen die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur in Richtung des Umfangs des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium, wenn sie von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg wandern. Man ist der Ansicht, dass dies eine Konsequenz der niedrigeren Temperaturen und einer reduzierten Durchdringung des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium ist, die am Umfang des Schmelzbades auftritt. Insbesondere ist man der Ansicht, dass die erzeugten Aluminidteilchen 110 durch die geringe Penetration des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium am Umfang des Schmelzbades gefangen werden und aufgrund der niedrigeren Temperatur dieses Gebiets einer geringeren thermischen Zersetzung ausgesetzt sind. Solche Bedingungen führen dazu, dass sich die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur sammeln und sich in eine Ringwulst nahe dem Umfang des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium absetzen. Die Bedeutung solch einer ringförmigen Konzentration der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium verfestigt sich in eine Schweißverbindung 116, die die Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 innerhalb der Schweißzone 22 miteinander verbindet, wenn der Fluss eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißflächen 84, 98 der Schweißelektroden 66, 68 beendet wird, wie in 13 gezeigt ist. Die Schweißverbindung 116, welche innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12 enthalten ist und mit der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 verbindet, erstreckt sich von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 in Richtung der Rückseite 42 des Aluminiumwerkstücks 12 bis zu einer Penetrationstiefe, die von 20% bis 100% der Dicke 120 des Aluminiumwerkstücks 12 reicht. Um zu konsolidieren und Porosität in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 116 zu verlagern, kann wahlweise elektrischer Strom zwischen den Schweißflächen 84, 98 der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 und über die Schweißverbindung 116 geleitet werden, um zumindest 50% der Verbindungsfläche der Schweißverbindung 116 erneut zu schmelzen, gefolgt von einer Beendigung des elektrischen Stroms, um zu ermöglichen, dass sich der erneut geschmolzene Bereich der Verbindung 116 erneut verfestigt. Bis zu vierzehn Phasen eines erneuten Schmelzens/Verfestigens können ausgeführt werden. Nachdem die Schweißverbindung 116 schließlich erhalten ist, werden die Schweißelektroden 66, 68 zurückgezogen, und die gegen die Aluminium- und Stahlwerkstückoberflächen 24, 26 ausgeübte Klemmkraft kann gelöst werden.
Nimmt man nun Bezug auf 14–16, wird die Schweißverbindung 116 durch eine Schweißbindungsfläche 118 und eine Werkstückumfangsfläche 122 beschrieben. Die Schweißbindungsfläche 118 ist der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 benachbart und ist mit ihr verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Schweißbindungsfläche 118 eine Oberfläche, die von 4 πt bis 20 πt reicht, worin die Variable ”t” die Dicke 120 des Aluminiumwerkstücks 12 innerhalb der Schweißzone 22 vor Ausbildung der Schweißverbindung 116 ist. Die Werkstückumfangsfläche 122 verläuft von der Schweißbindungsfläche 118 in einer sich verengenden Weise weg und bildet die Begrenzung der Schweißverbindung 116 innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12. Die Werkstückumfangsoberfläche 122 trennt die Schweißverbindung 116 von einer umgebenden, von Wärme beeinflussten Zone innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12 und grenzt an einen Bereich der Rückseite 44 des Aluminiumwerkstücks 12 in jenen Fällen, in denen die Schweißverbindung 116 das Aluminiumwerkstück 12 vollständig durchdringt, wie hier in den Figuren veranschaulicht ist.
Die Schweißverbindung 116 enthält eine Aluminium-Schweißlinse 124 und eine intermetallische Schicht 126. Die Aluminium-Schweißlinse 124 besteht aus erneut verfestigtem Aluminiummaterial, das von dem Aluminiumwerkstück 12 abgeleitet ist, und bildet sowohl hinsichtlich Volumen als auch Gewichtsprozent den größten Teil der Schweißverbindung 116. Die intermetallische Schicht 126 trennt die Aluminium-Schweißlinse 124 von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 und bildet demgemäß die Schweißbindungsfläche 118 der Schweißverbindung 116. Die intermetallische Schicht 126 wird durch eine metallurgische Reaktion zwischen dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium und dem Stahlwerkstück 14 bei Punktschweißtemperaturen gebildet, so dass intermetallische Eisen-Aluminium-(Fe-Al-)Verbindungen erzeugt werden. In der Tat kann die intermetallische Schicht 126 intermetallische FeAl₃-Verbindungen, intermetallische Fe₂Al₅-Verbindungen und möglicherweise andere intermetallische Eisen-Aluminium-Verbindungen umfassen und hat entlang der Schweißbindungsfläche 118 typischerweise eine Dicke, die in einem Bereich von 1 μm bis 5 μm liegt. In Bezug auf ihre relativen physikalischen und mechanischen Eigenschaften ist die intermetallische Schicht 126 härter, spröder und weniger robust bzw. zäh als die Aluminium-Schweißlinse 124.
Die Schweißverbindung 116 kann zusätzlich eine Ringwulst 128 aus den Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur umfassen, falls die Teilchen 110 zu solch einer Konfiguration innerhalb des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium getrieben werden und sich in eine solche absetzen. Die Ringwulst 128 aus Aluminidteilchen 110 erstreckt sich von der Schweißbindungsfläche 118 entweder entlang oder innerhalb der Werkstückumfangsfläche 122 nach oben, so dass sie sich von einem Kerbgrund 134 aus, der die Schweißverbindung 116 umgibt, radial einwärts in die Aluminium-Schweißlinse 124 erstreckt (15–16). In einigen Ausführungsformen, insbesondere wenn die Aluminidteilchen aus Nickel-Aluminidteilchen bestehen, kann die Ringwulst 128 eine diskrete Barriere 130 bilden, wie in 15 idealisiert gezeigt ist. In anderen Ausführungsformen, insbesondere wenn die Aluminidteilchen aus Eisen-Aluminidteilchen bestehen, kann die Ringwulst 128 ein Verteilungsband 132 bilden, wie in 16 idealisiert dargestellt ist. Das Verteilungsband 132 ist eine weniger dichte Ansammlung der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur als die Barriere 130, erfüllt aber die gleiche grundlegende Funktion.
Man ist der Ansicht, dass der Einbau der Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur in die Schweißverbindung 116 die Festigkeit, insbesondere die Abschäl- und Querspannungsfestigkeit, der Schweißverbindung 116 verbessert. Insbesondere falls das Aluminiumwerkstück 12 ursprünglich die Oberflächenschicht 34 eines hitzebeständigen Oxidmaterials umfasst, was oft der Fall ist, bewirkt die Wanderung der einzelnen Metallelemente von den reaktiven Teilchen 52 in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium – und die gleichzeitige Transformation jener Elemente in die Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur –, dass die Fragmente 112 des Restoxidfilms und die Fragmente 114 des Verbundrestfilms von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 19 weg und hoch in das Schmelzbad 108 befördert werden, so dass sie innerhalb der Masse der Aluminium-Schweißlinse 124 entfernt von der Schweißbindungsfläche 118 bei einer Verfestigung des Schmelzbades 108 gefangen werden. Schlechthin fehlen die Fragmente 112 des Restoxidfilms und die Fragmente 114 des Verbundrestfilms praktisch an der Schweißbindungsfläche 118 der Schweißverbindung 116. Man ist der Ansicht, dass ein Fernhalten solcher Fragmente von der Schweißbindungsfläche 118 vorteilhaft ist, da grenzflächennahe Defekte dieser Art eine Tendenz haben, die Integrität der Schweißbindungsfläche 118 der Schweißverbindung 116 zu stören.
Außerdem können, falls die Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur sich in die Ringwulst 128 zusammenballen, wie in 14–16 gezeigt ist, sie die Schweißbindungsfläche 118 der Schweißverbindung 116 gegen Risse abschirmen, die sich von dem benachbarten Kerbgrund 134 aus ausbreiten können. Und zwar dient die Ringwulst 128 der Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur als ein hartes und starkes Hindernis gegen eine Rissausbreitung. Schlechthin wird, wenn ein Riss im Kerbgrund 134 entsteht und sich einwärts in die Schweißverbindung 116 auszubreiten beginnt, der Riss entlang einem nicht bevorzugten Pfad in die Masse der Aluminium-Schweißlinse 124 abgelenkt. Ein Ablenken einer Rissausbreitung auf diese Weise beeinträchtigt weniger wahrscheinlich die Schweißverbindung 116, da die Aluminium-Schweißlinse 124 weicher und robuster als die intermetallische Schicht 126 ist, die entlang der Schweißbindungsfläche 118 der Schweißverbindung 116 gelegen ist. Die Ringwulst 128 der Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur, falls ausgebildet, schützt folglich den Bereich der Schweißverbindung 116 (d. h. die intermetallische Schicht 126), der am meisten anfällig für eine Rissausbreitung und folglich am wahrscheinlichsten die Ursache eines Grenzflächenversagens der Schweißverbindung 116 unter einer beaufschlagten Last ist. Der gebotene Schutz gegen ein schnelles Risswachstum durch die intermetallische Schicht 126, wie es durch grenzflächennahe Schweißungleichmäßigkeiten gefördert wird, hilft dabei, ein Versagen einer Grenzflächenverbindung bei der Schweißbindungsgrenzfläche 118 zu vermeiden, wenn die Schweißverbindung 116 einer Belastung ausgesetzt ist.
Die Ausführungsform des offenbarten Verfahrens, das eben beschrieben wurde, stellt eine besondere Art und Weise zum Platzieren einer Quelle eines reaktiven Metalls in einen diffusionsfähigen Zustand entlang der Stoß-Grenzfläche der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 dar. Andere Techniken können ebenfalls in der Praxis umgesetzt werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise kann, wie in 17–26 gezeigt und im Folgenden detaillierter beschrieben wird, die Quelle eines diffusionsfähigen reaktiven Metalls in der Form einer reaktiven Legierungsschicht vorliegen, die der Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12 innerhalb der Schweißzone 22 gegenüberliegt und mit ihr in unmittelbarem Kontakt (d. h. direktem Kontakt oder indirektem Kontakt über eine dazwischenliegende organische Materialschicht) steht. Die reaktive Legierungsschicht ist imstande, Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zu erzeugen, wenn das Aluminiumwerkstück 12 während eines Durchgangs eines elektrischen Stroms durch die gestapelten Werkstücke 12, 14 hindurch geschmolzen wird und die reaktive Legierungsschicht einem innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12 ausgebildeten Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium ausgesetzt wird und damit reagiert. Die reaktive Legierungsschicht kann eine Vielzahl von Formen einnehmen, einschließlich einer Oberflächenschicht, die einen Teil des Stahlwerkstücks 14 oder einen Teil einer einzelnen Unterlegscheibe bildet, die zwischen dem Aluminiumwerkstück 12 und dem Stahlwerkstück 14 angeordnet werden kann. Die aktive Legierungsschicht ist durch Bezugsziffer 150 in 17–26 gekennzeichnet und ist nur zur Unterstützung der Beschreibung in einer übertriebenen Dicke dargestellt. Für alle anderen Merkmale in 17–26 zeigt die Verwendung der gleichen Bezugsziffern, wie man sie in Veranschaulichungen ähnlich jenen in 1–16 findet, an, dass die frühere Beschreibung dieses Merkmals in der vorherigen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens hier für diese Ausführungsform gleichermaßen gilt.
Die in 1–16 dargestellte reaktive Legierungsschicht 150 umfasst ein Basis-Metallelement und ein oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente, die mit dem Basis-Metallelement in einem diffusionsfähigen Zustand legiert sind. Das Basis-Metallelement ist vorzugsweise Zink oder irgendein anderes Metall, das in dem während einer Punktschweißung des Werkstückstapels 10 gebildeten Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium leicht lösbar ist. Jedes der ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente, die mit dem Basis-Metallelement legiert sind, kann ein beliebiges Metallelement sein, das mit geschmolzenem Aluminium im Schmelzbad reagieren kann, um die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur zu bilden. Bevorzugte reaktive einzelne Metallelemente, die auf diese Weise reagieren können, umfassen Eisen und Nickel. Obgleich eine Dicke 151 der reaktiven Legierungsschicht 150 in Abhängigkeit von mehreren Faktoren, einschließlich der Zusammensetzung und Dicke der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 und des verwendeten Schweißplans, variieren kann, liegt in vielen Fällen die Dicke 151 der reaktiven Legierungsschicht 150 in einem Bereich von zwei 2 μm bis 100 μm oder enger von 5 μm bis 30 μm.
Die ein oder mehr reaktiven einzelnen Metallelemente sind mit dem Basis-Metallelement in einem diffusionsfähigen Zustand legiert, wenn sie aus dem Basis-Metallelement für eine Wanderung in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium einfach gelöst werden können, was der Art und Weise ähnlich ist, in welcher die einzelnen Metallelemente in die reaktiven Teilchen 52 der vorherigen Ausführungsform eingebaut werden. Das heißt, ein diffusionsfähiger Zustand kann erreicht werden, wenn die ein oder mehr einzelnen Metallelemente innerhalb des Basis-Metallelements schwach gebunden und ausreichend verdünnt oder darin verteilt sind. In der Tat wird ein Basis-Metallelement, das die ein oder mehr einzelnen Metallelemente zu stark bindet, nur einen vernachlässigbaren Anteil des (der) einzelnen Metallelements (Metallelemente) in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium freisetzen, während eine reaktive Legierungsschicht 150, die eine zu hohe Konzentration eines reaktiven einzelnen Metallelements (Metallelemente) aufweist, eher eine zusammenhängende Aluminidschicht an der Oberfläche des Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium erzeugt, die die Wanderung des (der) reaktiven einzelnen Metallelements (Metallelemente) in das Schmelzbad vorzeitig beendet oder auf andere Weise blockiert. Ein diffusionsfähiger Zustand der ein oder mehr einzelnen Metallelemente kann typischerweise erzielt werden, wenn das Basis-Metallelement Zink ist und die reaktive Legierungsschicht 150 bis zu 35 Gew.-% oder bevorzugter zwischen 10 Gew.-% und 25 Gew.-% der ein oder mehr einzelnen Metallelemente enthält.
Ganz wie in der vorherigen Ausführungsform zeigen die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur, die durch die Reaktion zwischen der reaktiven Legierungsschicht 150 und dem Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium erzeugt werden, eine Mobilität in das und innerhalb des Schmelzbades in einer Weise, die die Festigkeitseigenschaften der letztendlich geschaffenen Schweißverbindung verbessert. Dieser eine Verbindung verstärkende Effekt tritt auf, da die Aluminidteilchen mit hoher Temperatur in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium wandern und dabei Fragmente des Oxidfilms und Restfragmente einer zusammengesetzten Schicht (falls vorhanden) in das Schmelzbad hoch heben und befördern, um jene Fragmente von dem Stahlwerkstück 14 fernzuhalten. Die Aluminidteilchen mit hoher Schmelztemperatur können sich auch selbst in eine Ringwulst anordnen, die die Verbindungsgrenzfläche zwischen der Schweißverbindung und dem angrenzenden Stahlwerkstück 14 vor einer Rissausbreitung unter einer beaufschlagten Last schützt. Der gebotene Schutz gegen eine Rissausbreitung unter einer beaufschlagten Last ist bemerkenswert, da der primäre Grund für ein Versagen einer Grenzflächenverbindung oft ein schnelles Risswachstum durch die intermetallische Schicht ist, wie es durch grenzflächennahe Schweißungleichmäßigkeiten gefördert wird.
Eine bevorzugte Ausführung eines Widerstandspunktschweißens des Werkstückstapels 10, der das Aluminiumwerkstück 12 und das benachbarte überlappende Stahlwerkstück 14 umfasst, gemäß dieser Ausführungsform ist allgemein in 17–20 veranschaulicht. Für den Moment auf 17–18 Bezug nehmend, hat der Werkstückstapel 10 eine erste Seite 16 und eine zweite Seite 18 und umfasst zumindest das Aluminiumwerkstück 12 und das Stahlwerkstück 14, welche wie gezeigt über eine Schweißzone 22 miteinander überlappen und einander benachbart sind bzw. aneinander grenzen (soweit wie die relative Positionierung von Metallwerkstücken). Die erste Seite 16 des Werkstückstapels 10 wird von einer Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks gebildet, und die zweite Seite 18 wird von einer Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks gebildet. Der Werkstückstapel 10 kann folglich wie ein ”2T”-Stapel zusammengesetzt sein, der nur das benachbarte Paar Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 umfasst, oder kann als ein ”3T”-Stapel zusammengesetzt sein, der die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 plus ein zusätzliches Aluminiumwerkstück 28 (wie in 19 gezeigt, Aluminium-Aluminium-Stahl) oder ein zusätzliches Stahlwerkstück 30 (wie in 20 gezeigt, Aluminium-Stahl-Stahl) umfasst, solange die beiden Werkstücke der gleichen Basismetallzusammensetzung nebeneinander angeordnet sind. Der Werkstückstapel 10 kann sogar mehr als drei Werkstücke, wie etwa einen Stapel Aluminium-Aluminium-Stahl-Stahl, einen Stapel Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl oder einen Stapel Aluminium-Stahl-Stahl-Stahl, umfassen.
Das Aluminiumwerkstück 12 umfasst ein Basis-Aluminiumsubstrat 32, und das Stahlwerkstück 14 umfasst ein Basis-Stahlsubstrat 36 auf genau die gleiche Weise, wie früher in Bezug auf die vorherige Ausführungsform des offenbarten Verfahrens beschrieben. wurde. Dementsprechend gelten die vorherigen Beschreibungen des Basis-Aluminiumsubstrats 32 und des Basis-Stahlsubstrats 36 auch gleichermaßen für diese Ausführungsform des offenbarten Verfahrens. In dieser Ausführungsform ist jedoch, und wie in 17 gezeigt ist, die reaktive Legierungsschicht 150, die einer Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12 gegenüberliegt und sie unmittelbar berührt, ein Teil des Stahlwerkstücks 14. Konkret wird die reaktive Legierungsschicht 150 an dem Basis-Stahlsubstrat 36 als eine reaktive Legierungsoberflächenschicht 152 gehalten, die zumindest eine Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 und, falls erwünscht, sowohl die Stoßfläche 44 als auch eine Rückseite 46 des Stahlwerkstücks 14 bildet und beschreibt, wie hier in 17 gezeigt ist. Die reaktive Legierungsoberflächenschicht 152 hat eine Dicke 154, die vorzugsweise von 2 μm bis 100 μm oder enger von 5 μm bis 30 μm reicht. Das Stahlwerkstück 14 in dieser Ausführungsform umfasst folglich eine große Vielfalt an Basis-Stahlsubstraten, die die reaktive Legierungsschicht 150 als eine aufgebrachte Oberflächenschicht 152 umfassen. Berücksichtigt man die Dicke des Basis-Stahlsubstrats 36 und der reaktiven Legierungsoberflächenschicht 152, hat das Stahlwerkstück 14 zumindest an der Schweißzone 22 eine Dicke 141, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm oder enger von 0,6 mm bis 2,5 mm liegt.
Drei besonders bevorzugte Ausführungsformen der reaktiven Legierungsoberflächenschicht 152 sind eine nach einem Verzinken wärmebehandelte Zink-Eisen-Legierungsschicht, eine galvanisierte Zink-Nickel-Legierungsschicht oder eine galvanisierte Zink-Eisen-Legierungsschicht. Die nach einem Verzinken wärmebehandelte Zink-Eisen-Schicht kann gebildet werden, indem das Basis-Stahlsubstrat 36 nach Reinigen und Vorbereiten der Oberfläche des Stahlsubstrats 36 für eine Reaktion mit Zink in ein Tauchbad aus geschmolzenem Zink eingetaucht wird. Das Bad aus geschmolzenem Zink enthält zumindest 98 Gew.-% reines Zink und wird bei einer Temperatur von 435°C bis 455°C gehalten. Wenn das Basis-Stahlsubstrat 36 in das Bad eingetaucht wird, reagiert das geschmolzene Zink mit dem Eisen des Stahlsubstrats 36 und bildet eine externe Schicht aus Zink, die durch minimal dicke intermetallische Al-Zn-Fe-Schichten mit dem Substrat metallurgisch verbunden ist. Bei Zurückziehen des Basis-Stahlsubstrats 36 mit dessen Zinkbeschichtung aus dem Bad aus geschmolzenem Zink wird überschüssiges flüssiges Zink entfernt und das Stahlsubstrat 36 wird erneut erhitzt, bevor sich die aufgebrachte Zinkbeschichtung verfestigen kann. Das Basis-Stahlsubstrat 36 wird typischerweise in einem Induktions- oder Gasheizofen erneut geheizt, der für eine Zeitspanne von bis zu 10 Sekunden bei einer Temperatur von 500°C bis 565°C gehalten wird. Ein derartiges Glühen bzw. Tempern der Zinkbeschichtung bewirkt, dass eine Eisen-Zink-Diffusionsreaktion stattfindet, die letztendlich die Zinkbeschichtung in die nach einem Verzinken wärmebehandelte Zink-Eisen-Legierungsschicht umwandelt.
Die nach einem Verzinken wärmbehandelte Zink-Eisen-Legierungsschicht hat eine durchschnittliche Massezusammensetzung, die 8 Gew.-% bis 12 Gew.-% Eisen und 0,5 Gew.-% bis 4 Gew.-% Aluminium enthält, wobei der Rest (in Gew.-%) Zink ist. Das durchschnittliche Masse-Gewichtsprozent jener Materialien wird bestimmt, indem ihre tatsächlichen Gewichtsprozente über die Dicke 154 der nach einem Verzinken wärmebehandelten Zink-Eisen-Legierungsschicht über die verschiedenen Legierungsphasen der Zink-Eisen-Legierung gemittelt werden. Und zwar sind Zink und Eisen typischerweise nicht gleichmäßig über die Dicke 154 der nach einem Verzinken wärmebehandelten Zink-Eisen-Legierungsschicht verteilt; vielmehr nimmt innerhalb der nach einem Verzinken wärmebehandelten Zink-Eisen-Schicht das Gewichtsprozent an Eisen ab (und folglich nimmt das Gewichtsprozent an Zink zu), wenn man sich in einer Richtung weg vom Basis-Stahlsubstrat 36 bewegt, in der Sequenz über eine Gamma-Phase (γ) (Fe₃Zn₁₀), eine Delta-Phase (δ) (FeZn₁₀) und eine Zeta-Phase (ζ) (FeZn₁₃) der Legierung. In vielen Fällen enthält zum Beispiel die Gamma-Phase der nach einem Verzinken wärmebehandelten Zink-Eisen-Legierungsschicht 15,6 Gew.-% bis 28,0 Gew.-% Eisen und 1,2 Gew.-% bis 1,6 Gew.-% Aluminium, enthält die Delta-Phase 7,0 Gew.-% bis 11,5 Gew.-% Eisen und 3,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% Aluminium, und die Zeta-Phase enthält 5,0 Gew.-% bis 6,3 Gew.-% Eisen und 0,5 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Aluminium.
Die galvanisierte Zink-Nickel-Legierungsschicht kann gebildet werden, indem das Basis-Stahlsubstrat 36 als eine Arbeitselektrode in entweder ein laugenbasiertes oder ein säurebasiertes Galvanisierbad getaucht wird, das Ionen von Zink und Nickel enthält, gefolgt von der Beaufschlagung eines ausreichenden elektrischen Stroms, um die Zink-Nickel-Legierungsschicht auf das Basis-Stahlsubstrat 36 zu plattieren und daran aufzubringen. Das im Galvanisierbad verwendete Material und die Einzelheiten des Galvanisierprozesses werden vorzugsweise ausgeführt, um eine bestimmte Zink-Nickel-Legierungsphase zu plattieren und aufzubringen, die eine gute Duktilität und einen guten Korrosionsschutz zeigt – nämlich die Gamma-Phase (γ) (Ni₅Zn₂₁) der Zink-Nickel-Legierung. Schlechthin besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die galvanisierte Zink-Nickel-Legierungsschicht aus einer Zink-Nickel-Legierung einer Gamma-Phase (γ). Solch eine Schicht einer Zink-Nickel-Legierung kann zwischen 8 Gew.-% bis 18 Gew.-% Nickel oder enger zwischen 12 Gew.-% und 16 Gew.-% Nickel enthalten, wobei der Rest (in Gew.-%) Zink ist.
Die elektrisch abgeschiedene bzw. galvanisierte Zink-Eisen-Schicht kann durch einen im Wesentlichen ähnlichen Galvanisierprozess geschaffen werden, wie er oben beschrieben wurde, außer dass der Prozess darauf zugeschnitten ist, im Gegensatz zu einer Zink-Nickel-Legierungsschicht eine Zink-Eisen-Legierungsschicht abzuscheiden. Die galvanisierte Zink-Eisen-Schicht kann beliebig von 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% Eisen enthalten, wobei der Rest Zink ist, und kann ganz eine Legierung (Fe₃Zn₁₀) einer Gamma-phase (γ), ganz eine Legierung (FeZn₁₀) einer Delta-Phase (δ), ganz eine Legierung (FeZn₁₃) einer Zeta-Phase (ζ) oder eine Kombination von beliebigen zwei oder mehr jener Phasen enthalten. Die exakte Zusammensetzung und Phase der Zink-Eisen-Legierung hängt von mehreren Faktoren einschließlich vor allem der Einzelheiten des Galvanisierprozesses, der ausgeführt wird, ab.
Die reaktive Legierungsoberflächenschicht 152 kann einen unmittelbaren Kontakt mit der Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12 an der Stoß-Grenzfläche 48 vor einem Stromfluss durch einen direkten Kontakt, wie in 17 gezeigt, oder durch einen indirekten Kontakt über eine dazwischenliegende organische Materialschicht 156, wie in 18 gezeigt, bilden. Wie in 17 gezeigt ist, stehen die reaktive Legierungsoberflächenschicht 152 und die Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 14 bei der Schweißzone 22 in direktem Kontakt, wenn Sie aufgrund des vollständigen Fehlens eines dazwischenliegenden Materials (wie etwa der organischen Materialschicht 156, die in 18 dargestellt ist) miteinander in direktem Grenzflächenkontakt sind oder wenn ein dazwischenliegendes Material ursprünglich vorhanden ist, aber durch die Kraft gegenüberliegender Schweißelektroden im Wesentlichen lateral ganz versetzt wird. Die reaktive Legierungsoberflächenschicht 152 und die Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 14 stehen bei der Schweißzone 22 in indirektem Kontakt, wenn sie miteinander nicht in direktem Grenzflächenkontakt stehen, sondern gleichwohl durch eine Grenzfläche mit gegenüberliegenden Seiten der dazwischenliegenden Klebstoffschicht 156 getrennt sind.
Die dazwischenliegende organische Materialschicht 156, die zwischen den Stoßflächen 40, 44 der benachbarten Stahl- und Aluminiumwerkstücke 12, 14, wie in 18 gezeigt, vorhanden sein kann, kann eine Klebstoffmaterialschicht sein, die eine strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix enthält. Die strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix kann ein beliebiger aushärtbarer struktureller Klebstoff sein, der zum Beispiel ein unter Wärme aushärtbares Epoxid oder ein unter Wärme aushärtbares Polyurethan enthält. Einige spezifische Beispiele von unter Wärme aushärtbaren strukturellen Klebstoffen, die als die Klebstoffmatrix genutzt werden können, umfassen DOW Betamate 1486, Henkel Terokal 5089 und Uniseal 2343, die alle kommerziell erhältlich sind. Obgleich in 18 nicht dargestellt ist, kann außerdem die Klebstoffmaterialschicht ferner optionale Füllstoffteilchen wie Siliziumdioxidteilchen enthalten, die in der gesamten duroplastischen Klebstoffmatrix verteilt sind, um die Viskosität oder andere mechanische Eigenschaften der Klebstoffmatrix, wenn sie ausgehärtet ist, zu modifizieren. Die dazwischenliegende organische Materialschicht 156 hat über die Schweißzone 22 vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,1 mm bis 2,0 mm oder enger zwischen 0,2 mm bis 1,0 mm, ungeachtet davon, ob die Schicht eine Klebstoffmaterialschicht ist, und besteht aus irgendeinem anderen organischen Material wie etwa einem Dichtungsstoff oder einem schalldämmenden Material.
Die dazwischenliegende organische Materialschicht 156, falls vorhanden, kann ziemlich einfach bei den Temperaturen und Elektrodenklemmdrücken punktgeschweißt werden, die bei der Schweißzone 22 während eines Stromflusses erzielt werden. Unter Punktschweißbedingungen wird die dazwischenliegende organische Materialschicht 156 innerhalb der Schweißzone 22 zumindest in einem gewissen Maße lateral versetzt und thermisch zersetzt während eines Stromflusses, so dass Reste (z. B. Kohlenstoffasche, Füllstoffteilchen usw.) zurückbleiben, die aus dem organischen Material nahe der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 abgeleitet werden. Außerhalb der Schweißzone 22 bleibt jedoch die dazwischenliegende organische Materialschicht 156 im Wesentlichen ungestört. In dieser Beziehung kann, falls die dazwischenliegende organische Materialschicht 156 eine Klebstoffmaterialschicht ist, ein zusätzliches Bonden bzw. Verbinden zwischen den Stoßflächen 40, 44 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 erzielt werden, indem der Werkstückstapel 10 in einen ELPO-Backofen oder einer anderen Heizvorrichtung nach einem Punktschweißen erhitzt wird, um so die strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix der Klebstoffmaterialschicht auszuhärten, die um die Schweißzone 22 noch intakt ist.
Die Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks und die Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks, die die ersten und zweiten Seiten 16, 18 des Werkstückstapels 10 bilden, können von den benachbarten bzw. angrenzenden und überlappenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 präsentiert werden, wenn der Stapel 10 als ”2T”-Stapel zusammengesetzt ist. Wenn zum Beispiel die beiden Werkstücke 12, 14 für ein Punktschweißen im Kontext der in 17–18 dargestellten Ausführungsform gestapelt werden, überlappen die Stoßflächen 40, 44 der beiden Werkstücke 12, 14 und liegen einander gegenüber, um die Stoß-Grenzfläche 48 innerhalb der Schweißzone 22 zu bilden, während ihre jeweiligen Rückseiten 42, 46 in entgegengesetzte Richtungen voneinander abgewandt sind, um so die Aluminium- und Stahlwerkstückoberflächen 24 bzw. 26 des Stapels 10 zu bilden. Natürlich ist, wie in 19–20 gezeigt ist, der Werkstückstapel 10 nicht auf die Einbeziehung allein des Aluminiumwerkstücks 14 und des benachbarten Stahlwerkstücks 16 beschränkt. Der Werkstückstapel 10 kann auch so zusammengesetzt sein, dass er – zusätzlich zu den benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 – das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 oder das zusätzliche Stahlwerkstück 30 umfasst, solange das zusätzliche Werkstück dem Werkstück 12, 14 der gleichen Basismetallzusammensetzung benachbart angeordnet ist; das heißt jedes zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 wird dem anderen Aluminiumwerkstück 12 benachbart angeordnet, und jedes zusätzliche Stahlwerkstück 30 wird dem anderen Stahlwerkstück 14 benachbart angeordnet, wie vorher beschrieben wurde.
Wie in 19 dargestellt ist, kann beispielsweise der Werkstückstapel 10 die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14, die oben beschrieben wurden, zusammen mit dem zusätzlichen Aluminiumwerkstück 28 umfassen, das das Aluminiumwerkstück 12 überdeckt und ihm benachbart ist. Wenn das zusätzliche Aluminiumwerkstück 28 so positioniert ist, bildet die Rückseite 46 des Stahlwerkstücks 14 die Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks, die die zweite Seite 18 des Werkstückstapels 10 wie zuvor bildet, während das Aluminiumwerkstück 12, das dem Stahlwerkstück 14 benachbart ist, nun ein Paar gegenüberliegende Stoßflächen 40, 54 umfasst. Die Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12, die dem Stahlwerkstück 14 zugewandt ist, steht immer noch in unmittelbarem Kontakt mit der reaktiven Legierungsoberflächenschicht 152 und bildet weiterhin die Stoß-Grenzfläche 48 zusammen mit der gegenüberliegenden Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14, wie zuvor beschrieben wurde. Die andere Stoßfläche 54 des Aluminiumwerkstücks 12 überdeckt eine Stoßfläche 58 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 28 und liegt ihr gegenüber. Schlechthin bildet in dieser besonderen Anordnung überlappter bzw. übereinandergelegter Werkstücke 28, 12, 14 eine Rückseite 58 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 28 nun die Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks, die die erste Seite 16 des Werkstückstapels 10 bildet.
In einem anderen Beispiel kann, wie in 20 gezeigt ist, der Werkstückstapel 10 die benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14, die oben beschrieben wurden, zusammen mit dem zusätzlichen Stahlwerkstück 30 umfassen, das das Stahlwerkstück 14 überdeckt und ihm benachbart angeordnet ist. Wenn das zusätzliche Stahlwerkstück 30 so positioniert ist, bildet die Rückseite 42 des Aluminiumwerkstücks 12 die Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks, die die erste Seite 16 des Werkstückstapels 10 wie zuvor bildet, während das Stahlwerkstück 14, das dem Aluminiumwerkstück 12 benachbart ist, nun ein Paar gegenüberliegende Stoßflächen 44, 60 umfasst. Die Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14, die dem Aluminiumwerkstück 12 zugewandt ist, bildet weiterhin die Stoß-Grenzfläche 48 zusammen mit der gegenüberliegenden Stoßfläche 40 des Aluminiumwerkstücks 12, und die letztgenannte Stoßfläche 40 steht weiterhin in unmittelbarem Kontakt mit der reaktiven Legierungsoberflächenschicht 152, wie zuvor beschrieben wurde. Die andere Stoßfläche 60 des Stahlwerkstücks 14 überdeckt eine Stoßfläche 62 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 30 und liegt ihr gegenüber. Als solche bildet in dieser besonderen Anordnung überlappter bzw. übereinandergelegter Werkstücke 12, 14, 30 nun eine Rückseite 64 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 30 die Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks, die die zweite Seite 18 des Werkstückstapels 10 bildet.
Wendet man sich nun 21 zu, ist der Werkstückstapel 10 nach einem Zusammensetzen zusammen mit einer ersten Schweißelektrode 66 und einer zweiten Schweißelektrode 68 einer (teilweise dargestellten) größeren Widerstandspunktschweißpistole dargestellt. Der Aufbau und der Betrieb der Schweißpistole und der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 wurden in Verbindung mit 5–8 der vorherigen Ausführungsform schon beschrieben. Die frühere Diskussion gilt gleichermaßen für diese Ausführungsform des offenbarten Verfahrens und muss folglich hier nicht wiederholt werden.
Das Widerstandspunktschweißverfahren beginnt, indem der Werkstückstapel 10 zusammengesetzt und dann die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 in Bezug auf den Werkstückstapel 10 so positioniert werden, dass die Schweißfläche 84 der ersten Schweißelektrode 66 (worauf auch als die ”erste Schweißfläche 84” verwiesen wird) der Oberfläche 24 des Aluminiumwerkstücks gegenüberliegt und die Schweißfläche 98 der zweiten Schweißelektrode 68 (worauf auch als die ”zweite Schweißfläche 98” verwiesen wird) der Oberfläche 26 des Stahlwerkstücks gegenüberliegt, wie in 21 und 22 gezeigt ist. Die erste Schweißfläche 84 und die zweite Schweißfläche 98 werden dann gegen ihre jeweiligen Aluminium- und Stahlwerkstückoberflächen 24, 26 in einander zugewandter Ausrichtung unter einer beaufschlagten Klemmkraft bei der Schweißzone 22 gepresst. Die beaufschlagte Klemmkraft liegt vorzugsweise in einem Bereich von 400 lb bis 2000 lb oder enger von 600 lb bis 1300 lb. Während nur die Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14, die überlappen und einander benachbart sind, in dieser Figur dargestellt sind, gilt die folgende Diskussion des Widerstandspunktschweißverfahrens gleichermaßen für Fälle, in denen der Werkstückstapel 10 das zusätzliche Aluminiumwerkstück 30 oder das zusätzliche Stahlwerkstück 32 enthält (19–20). Nachdem die Schweißflächen 84, 98 der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 gegen die Aluminium- und Stahlwerkstückoberflächen 24 bzw. 26 des Werkstückstapels 10 gepresst sind, wird elektrischer Strom zwischen den Schweißelektroden 66, 68 mittels ihrer zugewandt ausgerichteten Schweißflächen 84, 98 geleitet.
Der zwischen den Schweißflächen 84, 98 der ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 ausgetauschte elektrische Strom gelangt durch den Werkstückstapel 10 hindurch und über die Stoß-Grenzfläche 48, die zwischen den benachbarten und gegenüberliegenden Stoßflächen 40, 44 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 eingerichtet ist. Der ausgetauschte elektrische Strom ist vorzugsweise ein elektrischer Gleichstrom, der über die Zeit konstant oder gepulst ist, oder eine gewisse Kombination von beidem und hat einen Strompegel, der in einem Bereich von 5 kA bis 50 kA liegt und 40 ms bis 2500 ms andauert. Der Widerstand gegenüber dem Fluss des elektrischen Stroms heizt anfangs die dazwischenliegende organische Materialschicht 156 (falls vorhanden) und zersetzt diese thermisch und schmilzt dann schnell das Aluminiumsubstrat 32 und erzeugt ein Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12, wie in 22 gezeigt ist. Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium durchdringt eine Distanz in das Aluminiumwerkstück 12, die in einem Bereich von 20% bis 100% der Dicke 121 des Aluminiumwerkstücks 12 liegt, und besteht vorwiegend aus geschmolzenem Aluminiummaterial, das vom Aluminiumsubstrat 32 abgeleitet wurde. Das Stahlsubstrat 36 schmilzt nicht und trägt während eines Stromflusses wegen seines, verglichen mit den Aluminiumsubstrat 32, verhältnismäßig hohen Schmelzpunktes geschmolzenen Stahl zum Volumen des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium nicht bei.
Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium gelangt durch Brüche oder andere Trennungen in der hitzebeständigen Oxidoberflächenschicht 34 auf dem Aluminiumwerkstück 12 und die zersetzte, dazwischenliegende organische Materialschicht 156 – falls eine oder beide vorhanden sind – unter der Druckkraft, die durch die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 beaufschlagt wird, und benetzt die angrenzende bzw. benachbarte Stoßfläche 44, und folglich die reaktive Legierungsoberflächenschicht 152, des Stahlwerkstücks 14 innerhalb der Schweißzone 22. Wenn dies geschieht, reagiert das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium mit der reaktiven Legierungsoberflächenschicht 152, was bewirkt, dass die einzelnen Metallelemente (z. B. Fe, Ni) aus dem Basis-Metallelement entweichen und in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium wandern, wo sie mit dem geschmolzenen Aluminium reagieren, um Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur zu bilden (24). Solche Aluminidteilchen 110 sind reich an Aluminium und enthalten zusätzlich ein oder mehrere der einzelnen Metallelemente. Teilchen sind reich an Aluminium, wenn sie zumindest 20 At-% Aluminium enthalten. In der Tat enthalten in vielen Fällen die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur zwischen 20 At-% und 80 At-% Aluminium und 20 At-% und 80 At-% des (der) einzelnen Metallelements(e), sofern Nickel, das in den Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur ursprünglich vorhanden sein mag, teilweise oder ganz durch Eisen ersetzt werden kann, das in dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium gelöst wird, wie oben diskutiert wurde. Hierzu können in dieser Ausführungsform einige der Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur zumindest 20 At-% Aluminium und enger zwischen 20 At-% und 80 At-% Aluminium zusammen mit zumindest einem von Fe, Ni oder einer Kombination davon (d. h. Fe und Ni) enthalten. Einige spezifische Beispiele von Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur, die in dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium gebildet werden können, umfassen u. a. Teilchen von NiAl₃, FeAl₃ und Fe₂Al₅.
Man ist der Ansicht, dass die Einführung der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium etwaige Fragmente eines Restoxidfilms und Fragmente eines Verbundrestfilms in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium hoch und von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg befördert. Ohne durch Theorie gebunden zu sein und mit Verweis auf die idealisierten Veranschaulichungen der 23–24 ist man der Ansicht, dass die Druckkraft, die durch die ersten und zweiten Schweißelektroden 66, 68 ausgeübt wird, und das Aufweichen des Aluminiumwerkstücks 12 während eines Stromflusses bewirkt, dass die Oberflächenschicht 44 eines hitzebeständigen Oxidfilms, falls vorhanden, aufzubrechen beginnt, wodurch Fragmente 112 eines Restoxidfilms erzeugt werden. Dieser anfängliche Vorgang ist in 23 dargestellt. Falls der Werkstückstapel 10 auch die dazwischenliegende organische Materialschicht 156 zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 aufweist (hier nicht dargestellt), können die Fragmente 112 des Restoxidfilms mit der zersetzten organischen Materialschicht 156, z. B. wie etwa einer Klebstoffmaterialschicht, zu dieser Zeit innig vermischt werden.
Während der Werkstückstapel 10 sich innerhalb der Schmelzzone 22 weiter erhitzt, schmilzt schließlich das Aluminiumsubstrat 32 des Aluminiumwerkstücks 12, um das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium zu bilden, wie in 24 gezeigt ist. Die frühere thermische Zersetzung der organischen Materialschicht 156 erzeugt Fragmente 114 eines Verbundrestfilms, die zum Beispiel aus hitzebeständigem Oxidmaterial und restlichen organischen Stoffen wie etwa Kohlenstoffasche bestehen. Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium sickert durch die Brücke und Fissuren zwischen den Fragmenten 112 des Restoxidfilms und den Fragmenten 114 des Verbundrestfilms, um die Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 zu benetzen und in dem Prozess geschmolzenes Aluminium mit der reaktiven Legierungsoberflächenschicht 152 in Kontakt zu bringen, die in 23 intakt dargestellt ist und während sie in 24 aufgebraucht dargestellt ist. Diese Art von Kontakt zwischen dem Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium und der reaktiven Legierungsoberfläche 152 führt zu einer diffusiven Wanderung der reaktiven einzelnen Metallelemente in das Schmelzbad 108 und der Ausbildung der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur unterhalb der Fragmente 112, 114, wie in 24 gezeigt ist.
Wie in 25 veranschaulicht ist, werden als Nächstes die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg in die heißeren Bereiche des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium gezogen. Beim Verfolgen dieser Bahnkurve bewirken die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur, dass die Fragmente 112 des Restoxidfilms und die Fragmente 114 des Verbundrestfilms von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg und in das innere Gebiet des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium befördert werden, wobei somit jene Fragmente 112, 114 zu einer unverfänglicheren Stelle in der gleichen Weise umverteilt werden, wie vorher in der Verbindung mit 12 beschrieben wurde. Die Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur können sich auch in Richtung des Umfangs des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium zusammenballen, wenn sie von der Stoßfläche 44 des Stahlwerkstücks 14 weg wandern, bis sie sich schließlich in eine Ringwulst nahe dem Umfang des Schmelzbades 108 aus geschmolzenem Aluminium absetzen, aus den gleichen Gründen, die oben in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben wurden.
Das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium verfestigt sich in eine Schweißverbindung 116, die die Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 innerhalb der Schweißzone 22 miteinander verbindet, wenn der Fluss eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißflächen 84, 98 der Schweißelektroden 66, 68 beendet wird, wie in 26 gezeigt ist. Die Schweißverbindung 116 hat die gleiche Struktur und Eigenschaften wie die Schweißverbindung 116, die in 13–16 dargestellt und oben bezüglich der vorherigen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens beschrieben wurde. Insbesondere sind die Struktur und Zusammensetzung der Aluminium-Schweißlinse 124 und der intermetallischen Schicht 126 sowie das mögliche Absetzen der Aluminidteilchen 110 mit hoher Temperatur in eine Ringwulst 128 innerhalb der Schweißverbindung 116, wie oben beschrieben, Eigenschaften, die dieser Ausführungsform des offenbarten Verfahrens ebenfalls gemein sind. In der Tat besteht der einzige bemerkenswerte Unterschied zwischen 13 und 26 in der Tatsache, dass das zusammengesetzte Klebstoffmaterial 20 in 13 die Schweißverbindung 116 außerhalb der Schweißzone 22 umgebend dargestellt ist, während die reaktive Legierungsoberflächenschicht 152 in 26 die Schweißverbindung 116 außerhalb der Schweißzone 22 umgebend dargestellt ist. Schlechthin gilt die Diskussion, die oben in Bezug auf die Schweißverbindung 116 dargelegt wurde, und besonders die Diskussion der Schweißverbindung 116, die den 14–16 entspricht, gleichermaßen für diese Ausführungsform des offenbarten Verfahrens, einschließlich der Vorteile, die ein Einbau der Aluminidteilchen 110 mit hoher Schmelztemperatur in die Schweißverbindung 116 als Folge der Wanderung jener Teilchen 110 in das Schmelzbad 108 aus geschmolzenem Aluminium und in vielen Fällen des Absetzens jener Teilchen 110 in die Struktur der Ringwulst 128 auf die Festigkeit der Verbindung 116 haben kann. Eine sich wiederholende Diskussion der in 26 dargestellten Schweißverbindung 116 wird somit hier der Kürze halber weggelassen.
Die obige Beschreibung bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen und spezifischer Beispiele ist in ihrer Art nur beschreibend; sie soll nicht den Umfang der Ansprüche, die folgen, beschränken. Jedem der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Ausdrücke soll, wenn nicht in der Beschreibung spezifisch und unzweifelhaft anders festgelegt, dessen gewöhnliche und übliche Bedeutung beigemessen werden.

Claims

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten überlappenden Stahlwerkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen einer Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand entlang einer Stoß-Grenzfläche eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten überlappenden Stahlwerkstücks, wobei das reaktive Metall mit geschmolzenem Aluminium reagieren kann, um Metallaluminidteilchen zu bilden; Pressen einer Schweißfläche einer ersten Schweißelektrode gegen eine Aluminiumwerkstückoberfläche, die eine erste Seite des Werkstückstapels bildet, Pressen einer Schweißfläche einer zweiten Schweißelektrode gegen eine Stahlwerkstückoberfläche, die eine zweite Seite des Werkstückstapels bildet; Leiten eines elektrischen Stroms durch einen Werkstückstapel zwischen den Schweißflächen der gegenüberliegenden ersten und zweiten Schweißelektroden bei einer Schweißzone, um das Aluminiumwerkstück, das dem Stahlwerkstück benachbart ist, zu schmelzen und innerhalb des Aluminiumwerkstücks ein Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium zu erzeugen, das eine Stoßfläche des benachbarten Stahlwerkstücks benetzt, und wobei ein Kontakt zwischen dem Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium und der Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand die Bildung von Metallaluminidteilchen zur Folge hat, die in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium wandern; und Beenden eines Durchgangs des elektrischen Stroms zwischen den Schweißflächen der gegenüberliegenden ersten und zweiten Schweißelektroden, um zu ermöglichen, dass sich das Schmelzbad aus geschmolzener Aluminiumlegierung in eine Schweißverbindung verfestigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand eine zusammengesetzte Klebstoffschicht ist, die an der Stoß-Grenzfläche der Aluminium- und Stahlwerkstücke zwischen einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks und der Stoßfläche des Stahlwerkstücks angeordnet ist, wobei die zusammengesetzte Klebstoffschicht eine strukturelle duroplastische Klebstoffmatrix und innerhalb der Matrix verteilte reaktive Teilchen aufweist und wobei die reaktiven Teilchen ein Basis-Metallelement und ein oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente, die mit dem Basis-Metallelement legiert sind, in einem diffusionsfähigen Zustand aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das eine oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente der reaktiven Teilchen eines oder mehrere von Eisen, Nickel, Kobalt oder Mangan umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente Aluminidteilchen ergeben, die innerhalb des Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium gebildet werden, die zwischen 20 At-% und 80 At-% Aluminium zusammen mit zumindest einem von Fe, Ni, Co, Mn oder einer Kombination davon enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quelle eines reaktiven Metalls in einem diffusionsfähigen Zustand eine reaktive Legierungsschicht ist, die einer Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks gegenüberliegt und mit ihr in unmittelbarem Kontakt steht, wobei die reaktive Legierungsschicht ein Basis-Metallelement und ein oder mehrere reaktive einzelne Metallelemente, legiert mit dem Basis-Metallelement, in einem diffusionsfähigen Zustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die reaktive Legierungsschicht eine reaktive Legierungsoberflächenschicht ist, die Teil des Stahlwerkstücks ist, wobei die reaktive Legierungsoberflächenschicht an ein Basis-Stahlsubstrat des Stahlwerkstücks aufgebracht ist und eine Dicke zwischen 2 μm und 100 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die reaktive Legierungsoberflächenschicht eine nach einem Verzinken wärmebehandelte Zink-Eisen-Legierungsschicht, eine galvanisierte Zink-Nickel-Legierungsschicht oder eine galvanisierte Zink-Eisen-Legierungsschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die reaktive Legierungsoberflächenschicht des Stahlwerkstücks einen unmittelbaren Kontakt mit der Stoßfläche des Aluminiumwerkstücks über eine dazwischenliegende organische Materialschicht bildet, die zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken an der Stoß-Grenzfläche gelegen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aluminiumwerkstück die Aluminiumwerkstückoberfläche bildet, die die erste Seite des Werkstückstapels bildet, und das Stahlwerkstück die Stahlwerkstückoberfläche bildet, die die zweite Seite des Werkstückstapels bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallaluminidteilchen, die in das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium wandern, sich letztendlich in eine Ringwulst aus Metallaluminidteilchen in der Schweißverbindung absetzen, wobei die Ringwulst aus Metallaluminidteilchen sich von einer Schweißbindungsfläche der Schweißverbindung aufwärts und radial nach innen in eine Aluminium-Schweißlinse der Schweißverbindung erstreckt.