DE102017206476A1

DE102017206476A1 - Externes wärmeunterstütztes schweissen von ungleichen metallwerkstücken

Info

Publication number: DE102017206476A1
Application number: DE102017206476.5A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; David S. Yang; Anil K. Sachdev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2017-10-26
Also published as: CN107303623A; CN107303623B; US20170304925A1; US10421148B2

Abstract

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück beinhaltet, wird offenbart. Das Verfahren verwendet eine erste Schweißelektrode, die nahe dem Aluminiumwerkstück angeordnet ist und eine zweite Schweißelektrode, die nahe dem Stahlwerkstück angeordnet ist, zum Durchführen des Punktschweißvorgangs. Zum positiven Beeinflussen der Stärke der schließlich gebildeten Schweißnaht kann der ersten Schweißelektrode externe Wärme durch eine externe Wärmequelle zugeführt werden, die in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit der ersten Schweißelektrode entweder vor oder nach dem oder beide vor oder nach dem Passieren eines elektrischen Stroms zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode zum Erzeugen eines Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Widerstandspunktschweißen und insbesondere ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Aluminiumwerkstücks und eines angrenzenden überlappenden Stahlwerkstücks.
HINTERGRUND
Das Widerstandspunktschweißen ist ein von einer Reihe von Industriebereichen verwendetes Verfahren zum Aneinanderfügen von zwei oder mehreren Metallwerkstücken. Die Automobilindustrie verwendet das Widerstandspunktschweißen beispielsweise oft, um vorgefertigte Metallwerkstücke während der Herstellung von Fahrzeug-Verschlussteilen (z. B. Türen, Hauben, Kofferraumdeckeln, Heckklappen) und Fahrzeug-Karosserieteilen (z. B. Karosserieseiten und Querträgern) aneinanderzufügen. Eine Reihe von Punktschweißungen wird typischerweise entlang einer peripheren Kante der Metallwerkstücke oder einem anderen Verbindungsbereich ausgebildet, um zu gewährleisten, dass das Teil strukturell solide ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke – wie Stahl mit Stahl und Aluminium mit Aluminium – zusammenzufügen, hat der Wunsch, leichtere Materialien in eine Fahrzeugkarosserie zu integrieren, Interesse an einem Zusammenfügen von Stahlwerkstücken mit Aluminiumwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen geweckt. Andere produzierende Branchen einschließlich der Flugzeug-, Schiff-, Eisenbahn und Bauindustrie sind ebenso an der Entwicklung wirksamer und wiederholbarer Verfahren zum Zusammenfügen solcher Werkstücke aus unterschiedlichen Metallen interessiert.
Das Widerstandspunktschweißen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fließen eines elektrischen Stroms durch überlappende Metallwerkstücke und über ihre Passschnittstelle(n) hinweg zum Erzeugen von Wärme. Zum Durchführen eines solchen Schweißverfahrens wird ein Satz gegenüberliegender Punktschweißelektroden an ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten des Werkstückstapels, der in der Regel aus zwei oder drei in einer überlappenden Konfiguration angeordneten Metallwerkstücken besteht, an einer vorbestimmten Schweißstelle eingespannt. Elektrischer Strom wird dann von einer Schweißelektrode zur anderen durch die Metallwerkstücke geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an deren Passschnittstelle(n). Enthält der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück und ein angrenzendes überlappendes Stahlwerkstück, löst die an der Passschnittstelle und im Rohmaterial dieser ungleichen Metallwerkstücke erzeugte Wärme ein wachsendes Aluminiumschweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumwerkstücks aus. Das geschmolzene Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad benetzt die angrenzende Passfläche des Stahlwerkstücks und erstarrt nach dem Stoppen des Stromflusses zu einer die zwei unterschiedlichen Werkstücke verbindenden Schweißnaht.
In der Praxis ist jedoch das Punktschweißen eines Stahlwerkstücks auf ein Aluminiumwerkstück anspruchsvoll, da sich eine Reihe von Eigenschaften dieser beiden Metalle negativ auf die Festigkeit – und vor allem die Abziehfestigkeit und Scherspannung – der Schweißnaht auswirken kann. Zum einen enthält das Aluminiumwerkstück üblicherweise eine mechanisch zähe, elektrisch isolierende und selbstheilende hitzebeständige Oxidschicht auf seiner Oberfläche. Die Oxidschicht wird typischerweise von Aluminiumoxid-Verbindungen umfasst, obwohl auch andere Oxidverbindungen wie beispielsweise Magnesiumoxid-Verbindungen vorhanden sein können, wenn das Aluminiumwerkstück eine Magnesiumenthaltende Aluminiumlegierung enthält. Als Ergebnis ihrer physikalischen Eigenschaften weist die hitzebeständige Oxidschicht eine Tendenz auf, an der Passschnittstelle der Aluminium- und Stahlwerkstücke intakt zu bleiben, worin sie nicht nur die Fähigkeit des Aluminiumschweißschmelzbades behindert, das Stahlwerkstück zu benetzen, sondern auch eine Quelle von schnittstellennahen Mängeln bereitstellt. Die isolierende Natur der Oberflächenoxidschicht erhöht auch den elektrischen Kontaktwiderstand des Aluminiumwerkstücks – und zwar am Kontaktpunkt Werkstück/Elektrode – was es schwierig macht, Wärme im Aluminiumlegierungswerkstück effektiv zu steuern und zu konzentrieren.
Abgesehen von den Herausforderungen der feuerfesten Oxid-Oberflächenschicht besitzen das Aluminiumwerkstück und das Stahlwerkstück auch unterschiedliche Eigenschaften, die die Festigkeit und Eigenschaften der Schweißnaht gegensätzlich beeinflussen können. Insbesondere weist Aluminium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600 °C) und relativ niedrige elektrische und thermische Widerstände auf, während Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (~1500 °C) und relativ hohe elektrische und thermische Widerstände aufweist. Infolge dieser physikalischen Differenzen entsteht die meiste Wärme im Stahlwerkstück während des Stromflusses, sodass ein Wärmeungleichgewicht zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem Aluminiumwerkstück (niedrigere Temperatur) besteht. Die Kombination des Temperaturgradienten, der während des Stromflusses erzeugt wird, mit der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumwerkstücks bedeutet, dass unmittelbar, nachdem der elektrische Strom stoppt, eine Situation auftritt, in der die Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle weg verteilt wird. Stattdessen wird Wärme vom heißeren Stahlwerkstück durch das Aluminiumwerkstück in Richtung der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumwerkstücks geleitet, was einen steilen Temperaturgradienten in dieser Richtung erzeugt.
Es wird davon ausgegangen, dass die Entwicklung eines steilen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode auf der anderen Seite des Aluminiumwerkstücks die Integrität der resultierenden Schweißnaht auf zwei hauptsächliche Weisen schwächt. Erstens verfestigt sich, da das Stahlwerkstück nach dem Unterbrechen des elektrischen Stroms die Wärme für eine längere Dauer als das Aluminiumwerkstück hält, das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium gerichtet, beginnend ab dem Bereich, der am nächsten zur kälteren, mit dem Aluminiumwerkstück verbundenen Schweißelektrode (oft wassergekühlt) liegt und sich in Richtung der Passschnittstelle ausbreitet. Eine Verfestigungsfront dieser Art neigt zu Strömungsdefekten – wie Gasporosität, Schrumpfungshohlräumen und Mikrorissbildungen – in Richtung und entlang der Passschnittstelle innerhalb der Schweißnaht, wo bereits Oxidfilm-Rückstandsdefekte vorhanden sind. Zweitens verstärkt die anhaltende erhöhte Temperatur im Stahlwerkstück fördert das Wachstum einer harten und spröden Fe-Al-Intermetall-Schicht innerhalb der Schweißnaht an der angrenzenden Passschnittstelle des Stahlwerkstücks. Die Verteilung von Schweißfehlern zusammen mit einem exzessiven Wachstum von intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Passschnittstelle neigt dazu, die Abziehfestigkeit der Schweißnaht zu reduzieren.
Angesichts der oben genannten Herausforderungen haben bisherige Bemühungen, ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück punktzuschweißen, einen Schweißplan verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (im Vergleich zum Punktschweißen von Stahl an Stahl) angibt, um zu versuchen, eine angemessene Schweißnaht-Bindungsfläche zu erhalten. Solche Bemühungen sind in einer Herstellungsumgebung weitgehend erfolglos geblieben und weisen eine Tendenz auf, die Schweißelektroden zu beschädigen. In Anbetracht der Tatsache, dass die bisherigen Punktschweißbemühungen nicht besonders erfolgreich waren, wurden stattdessen überwiegend mechanische Befestigungselemente wie Stanznieten und fließlochformende Schrauben verwendet. Die Anbringung derartiger mechanischer Befestigungselemente dauert jedoch länger und weist gegenüber dem Punktschweißen hohe Materialkosten auf. Sie erhöhen auch das Gewicht der Fahrzeugkarosserie – Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen durch Punktschweißen erfolgt – wodurch ein Teil der Gewichtsersparnis durch das Verwenden von Aluminiumwerkstücken wieder aufgewogen wird. Fortschritte im Punktschweißen, die das Verfahren geeigneter machen würden, Stahl- und Aluminiumwerkstücke zu verbinden, wären somit eine willkommene Ergänzung der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Werkstückstapel, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück plus ein oder mehrere optionale Aluminium- und/oder Stahlwerkstücke beinhaltet, kann zum Bilden einer Schweißnaht, die die Aluminium- und Stahlwerkstücke verbindet, widerstandspunktgeschweißt werden. Der Werkstückstapel beinhaltet eine erste Seite, bereitgestellt durch eine Aluminiumwerkstück-Oberfläche und eine zweite Seite, bereitgestellt durch eine Stahlwerkstück-Oberfläche. Zum Vereinfachen des Punktschweißens wird eine Schweißelektrode gegen eine erste Seite des Werkstückstapels nahe dem Aluminiumwerkstück des Paares aus den benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken gepresst und genauso wird die zweite Schweißelektrode an eine zweite Seite des Stapels nahe dem Paar von benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken gepresst. Die ersten und zweiten Schweißelektroden können gleich oder verschieden voneinander ausgeführt sein.
Die erste Schweißelektrode wird von einer externen Wärmequelle zum positiven Beeinflussen der Festigkeit der Schweißnaht, die die Aluminium- und Stahlwerkstücke miteinander verbindet, mit Wärme versorgt. Externe Wärme kann der ersten Schweißelektrode zugeführt werden, bevor und/oder nachdem elektrischer Strom zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode durchgeleitet wurde, um das Wärmeungleichgewicht zu verringern, das sich zwischen dem Paar von benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken entwickelt, wenn elektrischer Strom zwischen den Schweißelektroden und durch den Werkstückstapel zum Ausbilden der Schweißnaht durchgeleitet wird. Insbesondere kann der ersten Schweißelektrode externe Wärme zugeführt werden zum Realisieren des Folgenden: (1) zum Erwärmen der ersten Schweißelektrode auf eine erhöhte Temperatur vor dem Durchleiten des elektrischen Stroms zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode, (2) zum Aufrechterhalten der ersten Schweißelektrode auf einer Haltetemperatur, die das volle Erstarren der innerhalb des Aluminiumwerkstücks erzeugten Schweißlinse aus geschmolzenem Aluminium verhindert, bis die Temperatur des Stahlwerkstücks bis unterhalb des Schmelzpunktes (d. h. der Erstarrungstemperatur) des Aluminiumwerkstücks nach dem Durchleiten von elektrischem Strom zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode aufgehört hat oder (3) Durchführen beider vorgenannter Aktionen.
Die Verwendung der externen Wärmequelle zur Wärmeversorgung der ersten Schweißelektrode während bestimmter Zeiträume soll die Festigkeit – insbesondere die Abziehfestigkeit und die Querspannfestigkeit – der Schweißnaht in mehreren Weisen verbessern. Das Aufheizen der ersten Schweißelektrode auf die erhöhte Temperatur führt Wärme leitend Einführen in das Aluminiumwerkstück ein, wenn die Schweißfläche der ersten Schweißelektrode an die erste Seite des Werkstückstapels gepresst wird und umgekehrt die Wärmemenge, die durch Leiten des elektrischen Stroms zwischen Schweißflächen der ersten und zweiten Schweißelektroden erzeugt werden muss, vermindert. Dadurch ist es möglich, das Wachstum und die Dicke der spröden Fe-Al-intermetallischen Schicht, die sich innerhalb der Schweißnaht entlang des Stahlwerkstücks bildet, zu minimieren. Weiterhin wird durch Halten der ersten Schweißelektrode auf der Haltetemperatur zum Verhindern völligen Erstarrens der Schweißlinse aus geschmolzenem Aluminium, bis das Stahlwerkstück nach dem Durchleiten elektrischen Stroms abkühlt, der Wärmeübergang vom Stahlwerkstück zur ersten Schweißelektrode unterdrückt und somit seitliche Wärmeübertragung von der Schweißlinse aus geschmolzenem Aluminium in den Ebenen der Aluminium- und Stahlwerkstücke begünstigt. Solche Wärmeverteilung veranlasst die Schweißlinse aus geschmolzenem Aluminium zum Verfestigen in einer Weise, die Schweißdefekte in Richtung Mitte der Schweißnaht treibt, wo sie weniger wahrscheinlich die Festigkeit und mechanische Eigenschaften der Verbindung beeinflussen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück beinhaltet, der zwischen einem Satz von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden zum Widerstandspunktschweißen angeordnet ist;
2 ist eine Explosionsdarstellung des Werkstückstapels und von Teilen des Satzes von gegenüberliegenden Schweißelektroden in 1;
3 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück beinhaltet, der zwischen einem Satz von gegenüberliegenden Schweißelektroden angeordnet ist, obwohl der Werkstückstapel ein zusätzliches Aluminiumwerkstück beinhaltet (d. h. zwei Aluminiumwerkstücke und ein Stahlwerkstück);
4 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Werkstückstapels, der ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes Stahlwerkstück in überlappender Weise beinhaltet, angeordnet zwischen einem Satz von Schweißelektroden, obwohl der Werkstückstapel ein zusätzliches Stahlwerkstück beinhaltet (d. h. ein Aluminiumwerkstück und zwei Stahlwerkstücke);
5 zeigt eine erhöhte Ansicht des Werkstückstapels und des Satzes gegenüberliegender Schweißelektroden zusammen mit Details einer Kühltasche, die innerhalb des Elektrodenkörpers jeder der Schweißelektroden definiert ist;
6 zeigt eine erhöhte Ansicht des Werkstückstapels und des Satzes gegenüberliegender Schweißelektroden zusammen mit Einzelheiten im Zusammenhang mit einer Ausführungsform einer externen Wärmequelle, die in Wärmeübertragung-Beziehung mit der Schweißelektrode, die sich nahe des Aluminiumwerkstücks, das benachbart dem Stahlwerkstück liegt, befindet, angeordnet ist;
7 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und des Satzes von gegenüberliegenden Schweißelektroden beim Durchfließen eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißflächen der gegenüberliegenden Schweißelektroden und dem Stapel, worin das Durchfließen elektrischen Stroms das Schmelzen des Aluminiumwerkstücks, das dem Stahlwerkstück benachbart liegt und die Bildung einer Schweißlinse aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks bewirkt hat;
8 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und des Satzes der Schweißelektroden, nachdem der elektrische Strom nach dem Durchfließen zwischen den Schweißflächen der gegenüberliegenden Schweißelektroden und durch den Stapel beendet ist, sodass das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium sich in eine Schweißnaht verfestigen kann, die das Paar von benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken verbindet;
9 stellt die Richtung der Verfestigungsfront in einem Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium dar, das sich von dem Punkt aus, der sich der kälteren Schweißelektrode am nächsten befindet, nahe dem Aluminiumwerkstück in Richtung der Passschnittstelle wie bei konventionellen Punktschweißpraktiken üblich verfestigt;
10 stellt die Richtung der Verfestigungsfront in einem Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium dar, das sich von seinem äußeren Umfang her in Richtung seiner Mitte durch Verwenden von Merkmalen des offenbarten Verfahrens verfestigt;
11 zeigt eine erhöhte Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer externen Wärmequelle, die in Wärmeübertragungs-Beziehung mit der Schweißelektrode angeordnet ist und sich nahe des Aluminiumwerkstücks, das überlappt und dem Stahlwerkstück benachbart liegt, befindet; und
12 zeigt eine erhöhte Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer externen Wärmequelle, die in Wärmeübertragungs-Beziehung mit der Schweißelektrode angeordnet ist und sich nahe des Aluminiumwerkstücks, das überlappt und dem Stahlwerkstück benachbart liegt, befindet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die bevorzugte und exemplarische Ausführungsform des offenbarten Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen eines Aluminiumwerkstücks und eines benachbarten überlappenden Stahlwerkstücks ist in den 1–12 dargestellt. Das offenbarte Verfahren versucht, dem Wärmeungleichgewicht entgegenzuwirken, das sich selbstverständlich zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken beim Stromfluss durch Wärmezufuhr von einer externen Quelle zur Schweißelektrode, wenn nötig, bildet, die sich in der Nähe des Aluminiumwerkstücks befindet. Das Einführen von externer Wärme zur Aluminiumseite der Schweißelektrode kann in Verbindung mit Begrenzen oder Halten einer Strömung des Kühlmittelfluids durch die Elektrode durchgeführt werden, sofern gewünscht. Durch Zuführen von Wärme an die Aluminiumseite der Schweißelektrode zu bestimmten Zeiten während des Widerstandspunktschweißverfahrens kann das Wachstum der Fe-Al-intermetallischen Schicht gehindert werden und/oder das Verfestigungsverhalten des aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks erzeugten Schweißbads kann zum Minimieren einer breiten Verteilung von Defekten an und entlang der Verbindungsoberfläche der möglicherweise gebildeten Schweißnaht und des Stahlwerkstücks verändert werden. Jeder dieser Effekte trägt wahrscheinlich zur Verbesserung der Festigkeit der Schweißnaht bei. Unter Bezugnahme auf die 1–4 ist ein Werkstückstapel 10 in Vorbereitung für das Widerstandspunktschweißen nach dem offenbarten Verfahren dargestellt. Der Werkstückstapel 10 beinhaltet mindestens ein Aluminiumwerkstück 12 und ein Stahlwerkstück 14, die an einer Schweißstelle 16 überlappen und nebeneinander liegen. Tatsächlich ist, wie nachfolgend näher beschrieben wird, das offenbarte Punktschweißverfahren breit anwendbar auf Werkstückstapel-Ausführungsformen, die das Paar benachbarter Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 beinhalten. Der Werkstückstapel 10 kann beispielsweise nur die zwei Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 beinhalten oder er kann ein zusätzliches Aluminiumwerkstück (Aluminium-Aluminium-Stahl) oder ein weiteres Stahlwerkstück (Aluminium-Stahl-Stahl) beinhalten, solange die beiden Werkstücke aus der gleichen Basismetallkomposition nahe beieinander im Werkzeugstapel 10 angeordnet sind. Der Werkstückstapel 10 kann sogar mehr als drei Werkstücke wie einen Aluminium-Aluminium-Stahl-Stahl-Stapel, einen Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl-Stapel oder einen Aluminium-Stahl-Stahl-Stahl-Stapel beinhalten.
Der Werkstückstapel 10 ist in 1 zusammen mit ersten und zweiten Schweißelektroden 18, 20 dargestellt, die mechanisch und elektrisch auf einem Schweißzangenarm 22 (teilweise dargestellt) konfiguriert. Der Werkstückstapel 10 weist eine erste Seite 24, die durch eine Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 bereitgestellt wird und eine zweite Seite 28, die von einer Stahlwerkstück-Oberfläche 30 bereitgestellt wird, auf. Die beiden Seiten 24, 28 des Werkstückstapels 10 sind zum Einstellen der ersten und zweiten Schweißelektrode 18, 20 jeweils an der Schweißstelle 16 zugänglich; d. h. die erste Schweißelektrode 18 ist zum Kontaktieren und an der ersten Seite 24 des Werkstückstapels 10 angepresst werden angeordnet, während die zweite Schweißelektrode 20 zur Kontaktieren und an der zweiten Seite 28 angepresst werden angeordnet ist. Und während in den Figuren nur eine Schweißstelle 16 dargestellt ist, werden es Fachleute begrüßen, dass Punktschweißen an verschiedenen unterschiedlichen Schweißstellen 16 am selben Werkstückstapel 10 ausgeführt werden kann. 2 zeigt den Werkstückstapel 10 und entgegengesetzte Punktschweißelektroden 18, 20 in bekannter Weise zur Unterstützung der Beschreibung des offenbarten Verfahrens.
Das Aluminiumwerkstück 12 beinhaltet ein Aluminiumsubstrat, das entweder beschichtet oder unbeschichtet ist. Das Aluminiumsubstrat kann aus nichtlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 Gew.-% Aluminium beinhaltet. Einige namhafte Aluminiumlegierungen, die das beschichtete oder unbeschichtete Aluminiumsubstrat ausmachen können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silicium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Wenn beschichtet, kann das Aluminiumsubstrat eine Oberflächenschicht aus einem feuerfesten Oxidmaterial umfassend Aluminiumoxid-Verbindungen und gegebenenfalls andere Oxid-Verbindungen als auch Magnesiumoxid-Verbindungen beinhalten, wenn das Aluminiumsubstrat eine Aluminium-Magnesium-Legierung ist. Das Aluminiumsubstrat kann auch mit einer Schicht aus Zink, Zinn oder einer Metalloxid-Passivierungsbeschichtung aus Oxiden von Titan, Zirkonium, Chrom oder Silicium bestehen, wie beschrieben in der US-Patent-Publikation Nr. 2014/0360986 . Die Oberflächenschicht kann eine Dicke von 1 nm bis 10 µm aufweisen und kann auf jeder Seite des Aluminiumsubstrats vorhanden sein. Unter Berücksichtigung der Dicke des Aluminiumsubstrats und jeglicher optionalen vorhandenen Beschichtung hat das Aluminiumwerkstück 12 eine Dicke 120, die in einem Bereich von 0,3 mm bis ungefähr 6,0 mm oder enger von 0,5 mm bis 3,0 mm liegt, zumindest an der Schweißstelle 16.
Das Aluminiumsubstrat des Aluminiumwerkstücks 12 kann in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt werden. Das Aluminiumsubstrat kann beispielsweise aus einer Aluminiumknetlegierung der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx als Folienschicht, Strangpressstück, Schmiedestück oder anderes Formteil bestehen. Alternativ kann das Aluminiumsubstrat kann aus einem Aluminiumlegierungsgussstück der Serie 4xx.x, 5xx.x, 6xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminium, die das Aluminiumsubstrat bilden können, sind unter anderem, aber ohne Einschränkung auf, die AA5754- und AA5182-Aluminium-Magnesium-Legierung, die AA6111- und AA6022-Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung, die AA7003-und AA7055-Aluminium-Zink-Legierung sowie die Aluminiumdruckgusslegierung Al-10Si-Mg. Das Aluminiumsubstrat kann ferner zu einer Vielzahl von Werkstoffzuständen weiter verarbeitet werden einschließlich getempert (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T), falls gewünscht.
Das Stahlwerkstück 14 beinhaltet ein Stahlsubstrat einer jeden beliebigen Festigkeit und Grades, das entweder beschichtet oder unbeschichtet ist. Das Stahlsubstrat kann heißgerollt oder kaltgerollt sein und kann aus Baustahl, IF-Stahl (Interstitial-Free), einbrennhärtbarem Stahl, hochfestem niedriglegiertem (HSLA)-Stahl, Zweiphasen-Stahl (DP), Komplexphasen-Stahl (CP), martensitischem (MART)-Stahl, TRIP-Stahl (TRIP – Transformation-Induced Plasticity) und Borstahl, als wenn das Stahlwerkstück 14 pressgehärteten Stahl (PHS) beinhaltete, bestehen. Wenn beschichtet, beinhaltet das Stahlsubstrat vorzugsweise eine Oberflächenschicht aus Zink (z. B. Heißtauch-galvanisiert oder elektrogalvanisch verzinkt), eine Zink-Eisen-Legierung (z. B. galvanisierungsgeglüht), eine Zink-Nickel-Legierung, Nickel, Aluminium, eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung oder eine Aluminium-Silicium-Legierung, von denen jede beliebige eine Dicke von bis zu 50 µm aufweisen kann und die auf jeder Seite des Stahlsubstrats vorhanden sein kann. Unter Berücksichtigung der Dicke des Stahlsubstrats und jeglicher optional vorhandenen Beschichtung hat das Stahlwerkstück 14 eine Dicke 940, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm oder enger von 0,6 mm bis 2,5 mm zumindest an der Schweißstelle 16 liegt.
Wenn die beiden Werkstücke 12, 14 für das Punktschweißen von im Rahmen eines „2T“-Stapel-Ausführungsform wie in 1 gestapelt sind, stellen das Aluminiumwerkstück 12 und das Stahlwerkstück 14 jeweils die erste und zweite Seite 24, 28 des Werkstückstapels 10 dar. Insbesondere beinhaltet das Aluminiumwerkstück 12 eine Passschnittstelle 32 und eine Rückseite 34 und ebenfalls beinhaltet das Stahlwerkstück 14 eine Passschnittstelle 36 und eine Rückseite 38. Die Passoberflächen 32, 36 der beiden Werkstücke 12, 14 überlappen und sind miteinander in Kontakt, um eine Passschnittstelle 40 zu bilden, die sich durch die Schweißstelle 16 erstreckt. Andererseits sind die äußeren Mantelflächen 34, 38 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 generell voneinander an der Schweißstelle 16 in entgegengesetzten Richtungen gegenseitig abgewandt und bilden jeweils die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 und die Stahlwerkstück-Oberfläche 30 der ersten und zweiten Seiten 24, 28 des Werkstückstapels 10.
Der Begriff „Passschnittstelle 40“ wird in der vorliegenden Offenbarung breit verwendet und soll beliebige Überlappung und gegenüberliegende Beziehung zwischen den Passoberflächen 32, 36 der Werkstücke 12, 14 umfassen, an welchen das Widerstandspunktschweißen ausgeführt werden kann. Die Flächen 32, 36 können in direktem Kontakt miteinander stehen, wenn sie physisch aneinander anliegen und nicht durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind. In einem anderen Beispiel können die Passflächen 32, 36 in indirekten Kontakt miteinander sein, wenn sie durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind – und somit nicht die Art von umfassendem physischem grenzflächigem Anliegen erfahren wie beim direkten Kontakt – aber dennoch nahe genug beieinander sind, dass das Widerstandspunktschweißen trotzdem ausgeführt werden kann. Dieser Typ von indirektem Kontakt zwischen den Passflächen 32, 36 der Stahl- und Aluminiumwerkstücke 12, 14 ergibt sich typischerweise dann, wenn vor dem Schweißen eine dazwischenliegende optionale organische Materialschicht 42 (dargestellt in 2, aber nicht 1) vor dem Punktschweißen des Werkstückstapels 10 zwischen den Flächen 32, 36 aufgebracht wird.
Die organische Materialschicht 42, die eventuell zwischen den Flächen 32, 36 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 vorhanden ist, ist typischerweise eine Klebstoffschicht, die eine strukturelle warmhärtende Klebstoffmatrix beinhaltet. Die konstruktive warmhärtende Klebstoffmatrix kann aus jedem beliebigen strukturellen härtbaren Klebstoff einschließlich beispielsweise einem wärmehärtbaren Epoxidharz oder wärmehärtbaren Polyurethan bestehen. Einige spezifische Beispiele von wärmehärtbaren strukturellen Klebstoffen können als Klebstoffmatrix DOW Betamate 1486, Henkel 5089 und Uniseal 2343 beinhalten, die alle handelsüblich erhältlich sind. Zusätzlich kann die Klebeschicht weiterhin optionale Füllstoffpartikel wie Silica-Partikel verteilt in der warmhärtenden Klebstoffmatrix zum Verändern der Viskosität oder anderer mechanischer Eigenschaften der Klebstoffmatrix während des Härtevorgangs beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann die organische Materialschicht 42 ein Isolierstoff oder ein schalldämpfendes Material sein. Die organische Materialschicht 42 weist vorzugsweise eine Dicke durch die Schweißstelle 96 von 0,1 mm bis 2,0 mm oder enger von 0,2 mm bis 1,0 mm auf.
Die organische Materialschicht 42 kann, falls vorhanden, bei den Temperaturen und Elektroden-Festklemm-Drücken an der Schweißstelle 16 während Stromflusses leicht punktgeschweißt werden. Unter Punktschweißbedingungen wird das organische Material der Schicht 42 zunächst unter der hohen ausgeübten Druckkraft durch die Schweißelektroden 18, 20 seitlich verschoben und jedweder verbleibende Teil der Schicht 42 wird innerhalb der Schweißstelle 16 während des Stromflusses unter Hinterlassen von lediglich Rückstand (z. B. Kohlenstoffasche, Füllerpartikel usw.) nahe der Passschnittstelle 36 des Stahlwerkstücks 14 abgebrannt. Außerhalb der Schweißstelle 16 bleibt jedoch die organische Materialschicht 42 im Allgemeinen ungestört und kann ihre zugedachte Funktion bereitstellen. Wenn zum Beispiel die organische Materialschicht 42 eine Klebstoffschicht ist, kann zusätzliche Bindung zwischen den Flächen 32, 36 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 außerhalb und um die Schweißstelle 16 herum erzielt werden. Zum Erzielen einer solchen zusätzlichen Verbindung kann der Werkstückstapel 10 in einem ELPO-Backofen oder in einer anderen Heizvorrichtung nach dem Punktschweißen zum Härten der strukturellen warmhärtenden Klebstoffmatrix der Klebstoffschicht, die um die Schweißstelle 16 zwischen den Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 noch intakt ist, erwärmt werden.
Selbstverständlich beschränkt sich, wie in den 3–4 dargestellt, der Werkstückstapel 10 nicht auf die Einbeziehung nur des Paars nebeneinander liegender Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14. Der Werkstückstapel 10 kann auch mindestens ein zusätzliches Aluminiumwerkstück oder ein zusätzliches Stahlwerkstück beinhalten – zusätzlich zu den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 – solange das zusätzliche Werkstück benachbart zum Werkstück 12, 14 aus derselben Basismetallkomposition benachbart angeordnet ist; d. h. jedes zusätzliche Aluminiumwerkstück ist an das Aluminiumwerkstück 12 angrenzend angeordnet und jedes zusätzliche Stahlwerkstück ist an das Stahlwerkstück 14 angrenzend angeordnet. Was die Eigenschaften zusätzlicher Werkstücke anbetrifft, so sind die Beschreibungen des Aluminiumwerkstücks 12 und des Stahlwerkstücks 14, die vorstehend bereitgestellt werden, auf jedes zusätzliche Aluminium- oder Stahlwerkstück anwendbar, das in den Werkstückstapel 10 einbezogen werden könnte. Es sollte erwähnt werden, dass, während dieselben allgemeinen Beschreibungen gelten, es keine Anforderung gibt, dass das/die zusätzliche(n) Aluminiumwerkstück(e) und/oder das/die zusätzliche(n) Stahlwerkstück(e) jeweils identisch sein müssen hinsichtlich der Zusammensetzung, Dicke oder Form (z. B. geschmiedet oder gegossen) mit dem Aluminiumwerkstück 12 und dem Stahlwerkstück 14, die nebeneinander im Werkstückstapel 10 liegen.
Wie beispielsweise in 3 gezeigt, kann der Werkstückstapel 10 die oben beschriebenen angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 mit einem weiteren Aluminiumwerkstück 44 beinhalten. Hier überlappt, wie gezeigt, das zusätzliche Aluminiumwerkstück 44 mit den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 und ist an das Aluminiumwerkstück 12 angrenzend angeordnet. Wenn das zusätzliche Aluminiumwerkstück 44 derart angeordnet ist, bildet die äußere Mantelfläche 38 des Stahlwerkstücks 14 wie bisher die Stahlwerkstückoberfläche 30, die die zweite Seite 28 des Werkstückstapels 10 bereitstellt, während das Aluminiumwerkstück 12, das an das Stahlwerkstück 14 angrenzt, nun ein Paar von gegenüberliegenden Passflächen 32, 46 beinhaltet. Die Passfläche 32 des Aluminiumwerkstücks 12, das der angrenzenden Passfläche 36 des Stahlwerkstücks 14 gegenübersteht, stellt weiterhin die Passschnittstelle 40 zwischen den beiden Werkstücken 12, 14 dar, wie zuvor beschrieben. Die andere Passfläche 46 des Aluminiumwerkstücks 12 überlappt und steht einer Passfläche 48 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 44 gegenüber. In diesem Sinn bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 12, 14, 44 eine äußere Mantelfläche 50 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 44 nun die Aluminiumwerkstückoberfläche 26, die die erste Seite 24 des Werkstückstapels 10 bereitstellt.
In einem anderen Beispiel kann, wie in 4 gezeigt, der Werkstückstapel 10 die vorstehend beschriebenen angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 zusammen mit einem weiteren Stahlwerkstück 52 beinhalten. Hier überlappt wie gezeigt das zusätzliche Stahlwerkstück 52 mit den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 und ist an das Stahlwerkstück 14 angrenzend angeordnet. Wenn das zusätzliche Stahlwerkstück 52 derart angeordnet ist, bildet die äußere Mantelfläche 34 des Aluminiumwerkstücks 12 wie bisher die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26, die die erste Seite 24 des Werkstückstapels 10 bereitstellt, während das Stahlwerkstück 14, das an das Aluminiumwerkstück 12 angrenzt, nun ein Paar von gegenüberliegenden Passflächen 36, 54 beinhaltet. Die Passfläche 36 des Stahlwerkstücks 14, die der angrenzenden Passfläche 32 des Aluminiumwerkstücks 12 gegenübersteht, stellt weiterhin die Passschnittstelle 40 zwischen den beiden Werkstücken 12, 14 her wie zuvor beschrieben. Die andere Passfläche 54 des Stahlwerkstücks 14 steht einer Passfläche 56 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 52 gegenüber und steht in überlappendem Kontakt mit dieser. In diesem Sinn bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 12, 14, 52 eine äußere Mantelfläche 58 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 52 nun die Stahlwerkstück-Oberfläche 30, die die zweite Seite 28 des Werkstückstapels 10 bereitstellt.
Zurück nun zu 1, wo die erste Schweißelektrode 18 und die zweite Schweißelektrode 20 zur Leitung des elektrischen Stroms durch den Werkstückstapel 10 und über die Passschnittstelle 40 der benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 an der Schweißstelle 16 unabhängig davon verwendet wird, ob (ein) zusätzliche(s) Werkstück(e) vorhanden ist/sind. Jede der Schweißelektroden 18, 20 wird vom Schweißzangenarm 22 getragen, der von jeder beliebigen geeigneten Art einschließlich einer Pistole vom C-Typ oder eine X-Typ-Pistole sein kann. Der Punktschweißvorgang kann es erfordern, die Schweißzange 22 an einen Roboter zu montieren, der in der Lage ist, die Schweißzange 22 um den Werkstückstapel 10 nach Bedarf herumzubewegen oder es kann erforderlich sein, die Schweißzange 22 als stationären sockelartigen Typ zu konfigurieren, in dem der Werkstückstapel 10 bezogen auf die Schweißzange 22 gehandhabt und bewegt wird. Zusätzlich, wie hier schematisch gezeigt, kann der Schweißzangenarm 22 kann einer Stromversorgung 60 zugeordnet werden, die elektrischen Strom zwischen die Schweißelektroden 18, 20 nach einem programmierten Schweißzeitplan liefert, verwaltet durch eine Schweißsteuerung 62. Die Schweißzange 22 kann auch mit Kühlmittelschläuchen und zugeordnetem Steuermodul zum Bereitstellen eines Kühlfluids wie Wasser an jeder Schweißelektrode 18, 20 ausgerüstet sein.
Die Schweißzange 22 beinhaltet einen ersten Zangenarm 64 und einen zweiten Zangenarm 66. Der erste Zangenarm 64 ist in einen ersten Schaft 68 eingepasst, der die erste Schweißelektrode 18 hält und sichert und der zweite Zangenarm 66 ist in einen zweiten Schaft 70 eingepasst, der eine zweite Schweißelektrode 20 hält und sichert. Die gesicherte Halterung der Schweißelektroden 18, 20 an ihren jeweiligen Schäften 68, 70 kann über Schaftadapter 72, 74 erreicht werden, die an den axialen freien Enden der Schäfte 68, 70 angeordnet sind. Bezüglich ihrer Positionierung bezogen auf den Werkstückstapel 10 ist die erste Schweißelektrode 18 zum Kontakt mit der ersten Seite 24 des Stapels 10 positioniert und konsequenterweise ist die zweite Schweißelektrode 20 zum Kontakt mit der zweiten Seite 28 des Stapels 10 positioniert. Die ersten und zweiten Schweißzangenarme 64, 66 sind zum Zusammenführen oder Drücken der Schweißelektroden 18, 20 aufeinander zu betreibbar und um eine Klemmkraft auf den Werkstückstapel 10 an der Schweißstelle 16 aufzubringen, sobald die Elektroden 18, 20 in Kontakt mit ihren jeweiligen Werkstückstapelseiten 24, 28 gebracht wurden.
Die ersten und zweiten Schweißelektroden 18, 20 können ähnlich oder unterschiedlich voneinander konstruiert sein und können unterschiedlichste Elektrodenkonstruktionen annehmen. Wie in 2 und 5 gezeigt, beinhaltet die erste Schweißelektrode 18 einen Elektrodenkörper 76, der eine erste Schweißfläche 78 trägt und gegebenenfalls eine Übergangsnase 80 beinhaltet, die die erste Schweißfläche 78 vom Elektrodenkörper 76 weg nach oben verschiebt. Der Elektrodenkörper 76 der ersten Schweißelektrode 18 definiert eine innere Vertiefung 82, die an einem Ende des Körpers 76 gegenüber der ersten Schweißfläche 78 offen ist. Diese interne Vertiefung 82 ist zugänglich zu und nimmt den Schaftadapter 72 auf, der dem Schaft 68 des ersten Zangenarms 64 zugeordnet ist. Die zweite Schweißelektrode 20 ist ähnlich der ersten Schweißelektrode 18 konstruiert und beinhaltet damit einen Elektrodenkörper 84, der eine zweite Schweißfläche 86 trägt und gegebenenfalls eine Übergangsnase 88 beinhaltet, die die zweite Schweißfläche 86 vom Elektrodenkörper 84 weg nach oben verschiebt. Der Elektrodenkörper 84 der zweiten Schweißelektrode 20 definiert auch eine innere Vertiefung 90, die an einem Ende des Körpers 84 entgegengesetzt der zweiten Schweißfläche 86 offen ist. Diese interne Vertiefung 90 ist zugänglich zu und nimmt den Schaftadapter 74 auf, der dem Schaft 70 des zweiten Zangenarms 66 zugeordnet ist.
Eine breite Palette von Elektrodenschweißflächen-Ausführungen kann für die Schweißelektroden 18, 20 ausgeführt sein. Jede der ersten und zweiten Schweißnahtflächen 78, 86 können beispielsweise einen Durchmesser an ihrer breitesten Dimension aufweisen, die von 3 mm bis 20 mm reichen, worin die erste Schweißfläche 78 vorzugsweise einem Durchmesser im Bereich von 6 mm bis 20 mm oder enger 8 mm bis 15 mm aufweist und die zweite Schweißfläche 86 vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 3 mm bis 16 mm oder enger 4 mm bis 8 mm aufweist. Zusätzlich beinhaltet die erste Schweißfläche 78 eine erste Basis-Schweißoberfläche 92 und die zweite Schweißfläche 86 beinhaltet eine zweite Basis-Schweißoberfläche 94 und jede der ersten und zweiten Basis-Schweißoberflächen 92, 94 kann ebenflächig oder sphärisch gewölbt sein. Wenn sphärisch gewölbt, können die Basis-Schweißoberflächen 92, 94 einen Krümmungsradius von 15 mm bis 400 mm aufweisen, worin die erste Basis-Schweißoberfläche 92 vorzugsweise einen Krümmungsradius von 15 mm bis 300 mm oder enger 20 mm bis 50 mm aufweist und die zweite Basis-Schweißoberfläche 94 vorzugsweise einen Krümmungsradius von 25 mm bis 400 mm oder enger 25 mm bis 100 mm aufweist. Außerdem kann jede der ersten und zweiten Basis-Schweißoberfläche 92, 94 glatt oder aufgeraut ausgebildet sein oder kann eine Reihe von aufrechtstehenden konzentrischen Ringen von kreisförmigen Stegen wie die offenbarten Stege in US-Patent Nr. 8,222,560 ; 8,436,269 ; 8,927,894 ; oder in US-Patent Pub. Nr. 2013/0200048 .
Die erste und zweite Schweißelektrode 18, 20 sind zum Aufnehmen eines Durchflusses von Kühlfluid während Widerstandspunkt-Schweißvorgängen ausgestattet, wie am besten in 5 dargestellt. Tatsächlich und bezogen für den Augenblick auf die erste Schweißelektrode 18, bildet der nach außen gerichtete Bereich der inneren Vertiefung 82 des Elektrodenkörpers 76, der nahe der ersten Schweißfläche 78 liegt, eine Kühltasche 96, wenn die erste Schweißelektrode 18 im Schaftadapter 72 gehalten wird, die mit dem Schaft 68 des ersten Zangenarms 64 verbunden ist. Insbesondere beinhaltet der Schaftadapter 72 ein äußeres Gehäuse 98 und eine Kühlfluid-Versorgungsleitung 100, die sich durch eine Innenbohrung 102 des Gehäuses 98 erstreckt. Die Kühlfluid-Versorgungsleitung 100 ist betreibbar zum Einbringen einer Strömung 104 der Kühlfluid, vorzugsweise Wasser, in die Kühltasche 96. Die Strömung 104 des Kühlfluids läuft durch die Kühltasche 96 durch und schließlich aus der Kühltasche 96 durch einen ringförmigen Rücklaufkanal 106 der Innenbohrung 102 heraus, der fluidisch mit der Kühltasche 96 verbunden ist und die Kühlfluid-Versorgungsleitung 100 umgibt. Die Strömung 104 des Kühlfluids durch die erste Schweißelektrode 18 kann auf irgendwo zwischen 0 gal/min, die auftritt, wenn die Strömung 104 angehalten wird, bis auf eine maximale Strömungsrate eingestellt werden, die typischerweise von 0,5 gal/min bis 5 gal/min reicht und die Temperatur der Strömung 104 des Kühlfluids ist typischerweise 32 °C oder weniger.
Die zweite Schweißelektrode 20 ist ausgebildet zum Aufnehmen einer Strömung des Kühlfluids in einer im Wesentlichen gleichen Weise wie die erste Schweißelektrode 18. Das heißt, der nach außen weisende Bereich der inneren Aussparung 90 des Elektrodenkörpers 84, der sich nahe zur zweiten Schweißfläche 86 befindet, bildet eine Kühltasche 108, wenn die zweite Schweißelektrode 20 im Schaftadapter 74 gehalten wird, die mit dem Schaft 70 des zweiten Zangenarms 66 verbunden ist. Insbesondere beinhaltet wie bisher der Schaftadapter 74 ein äußeres Gehäuse 110 und eine Kühlfluid-Versorgungsleitung 112, die sich durch eine Innenbohrung 114 des Gehäuses 110 erstreckt. Die Kühlfluid-Versorgungsleitung 112 ist betreibbar zum Einbringen einer Strömung 116 des Kühlfluids, vorzugsweise Wasser, in die Kühltasche 108. Die Strömung 116 des Kühlfluids läuft durch die Kühltasche 108 und schließlich aus der Kühltasche 108 durch einen ringförmigen Rücklaufkanal 118 der Innenbohrung 114, die fluidisch mit der Kühltasche 108 kommuniziert und die Kühlfluid-Versorgungsleitung 112 umgibt. Die Strömung 116 des Kühlfluids durch die zweite Schweißelektrode 20 kann auf irgendwo zwischen 0 gal/min, die auftritt, wenn der Strömung 116 angehalten wird, bis zu einer maximalen Strömungsrate eingestellt werden, die typischerweise von 0,5 gal/min bis 5,0 gal/min reicht und die Temperatur der Strömung 116 des Kühlfluids ist typischerweise 32 °C oder weniger.
Die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 18, 20 sind jeweils bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material gebildet wie beispielsweise einer Kupferlegierung. Ein konkretes Beispiel ist eine C15000-Zirkonium-Kupfer-Legierung (CuZr), die 0,10 Gew.-% bis zu 0,20 Gew.-% Zirkonium und Kupfer als Saldomaterial enthält. Andere Kupferlegierungen können selbstverständlich einschließlich einer Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr) oder einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr) eingesetzt werden. Ein bestimmtes Beispiel einer jeden der genannten Kupferlegierungen ist eine C18200-Kupfer-Chrom-Legierung, die 0,6 Gew.-% bis 1,2 Gew.% Chrom und als Saldomaterial Kupfer beinhaltet und eine C18150-Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung, die 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.% Chrom, 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Zirkonium und als Saldomaterial Kupfer beinhaltet. Noch andere Legierungszusammensetzungen, die geeignete mechanische und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften besitzen, können ebenfalls verwendet werden. So kann beispielsweise zumindest die Schweißfläche 78 der ersten Schweißelektrode 18 aus einem hochschmelzenden Metall (z. B. Molybdän oder Wolfram) oder einem hochschmelzenden Metall-Verbundwerkstoff (z. B. Wolfram-Kupfer) bestehen wie offenbart in der US-Patent-Anmeldung Nr. 15/074,690 (eingereicht am 18. März 2016).
Um einen Mechanismus zum Einführen von Wärme in die erste Schweißelektrode 18 bereitzustellen, der erlaubt, die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 sowohl vor und nach dem Durchfluss von elektrischem Strom zwischen den Schweißelektroden 18, 20 während des Punktschweißens zu steuern, ist eine externe Wärmequelle 130 in Wärmeübertragungs-Beziehung mit der ersten Schweißelektrode 18 angeordnet. Dies ist speziell in 6 dargestellt. Mit anderen Worten, die externe Wärmequelle 130 ist konfiguriert, um Wärme an die erste Schweißelektrode 18 zu liefern, wenn diese aktiviert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie hier dargestellt in 6, umfasst die externe Wärmequelle 130 ein Widerstandsheizelement 132, das den Elektrodenkörper 76 kontaktiert und umkreist und elektrisch mit einer Heizkreislauf-Stromversorgung 134 gekoppelt ist. Das Widerstandsheizelement 132 kann ein Widerstandsdraht wie ein Nickel-Chrom-Draht sein, der den Elektrodenkörper 76 mehrfach umschlingt und die Heizkreislauf-Stromversorgung 134 kann jede beliebige Stromquelle verwenden, die elektrischen Stroms durch das Widerstandsheizelement 132 zum Erzeugen von Wärme leiten kann. Alternative Ausführungsformen der externen Wärmequelle 130 sind selbstverständlich möglich und mehrere solcher alternativer Ausführungsformen sind in den 11–12 tatsächlich beschrieben.
Die externe Wärmequelle 130 wird durch eine Heizvorgangssteuerung 150 gesteuert, die im Allgemeinen eine Verarbeitungseinheit, programmierbare I/O-Peripherie und einen internen oder externen Speicher beinhaltet, der computerlesbare Betriebsanweisungen zum Betreiben der externen Wärmequelle 130 sowie weitere Funktionen wie A/D-Wandler und Zeitgeber speichert. Die Steuerung des Heizvorgangs empfängt Temperaturdateneingaben von einem Temperatursensor 152 und einen Strömungsmesser 154 im Zusammenhang mit der ersten Schweißelektrode 18 sowie einen Strömungsmesser 156 im Zusammenhang mit der zweiten Schweißelektrode 20. Der Temperatursensor 152 misst die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt und überträgt diese Daten an die Steuerung 150. Der Temperatursensor 152 kann ein Thermoelement sein, das auf oder in der ersten Schweißelektrode 18 eingebaut ist oder es kann ein optisches Infrarot-Thermometer in Form eines IR-Punkt-Thermometers oder eines thermischen Bildaufnehmers in der Nähe der ersten Schweißelektrode 18 nach Bedarf für die kontaktfreie Temperaturmessung sein. Die Durchflussmesser 154, 156 messen die Rate, mit der sich die Strömung 104 des Kühlfluids durch die erste Schweißelektrode 18 bewegt und die Rate, mit der sich die Strömung 116 des Kühlfluids durch die zweite Schweißelektrode 20 bewegt, jeweils zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt und überträgt die Daten an die Steuerung 150 ebenso.
Die Heizvorgangs-Steuerung 150 steuert die externe Wärmequelle 130 durch Anordnen, wieviel elektrischer Strom durch das Widerstandsheizelement 132 basierend auf Informationen, die vom Temperatursensor 152 und den Durchflussmessern 154, 156 empfangen und abgeleitet wurden, durchgeleitet wird. Insbesondere können die Betriebsanweisungen, die auf die Steuerung 150 geladen wurden, eine Nachschlagetabelle, programmierte Gleichungen oder Algorithmen beinhalten, die auf simuliertem Modellieren oder experimentellen Daten oder einigen anderen Datenverarbeitungsmechanismen basieren können, die die geeigneten Betriebsbedingungen der externen Wärmequelle 130 zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt basierend auf bestimmten gewünschten Ergebnissen oder Messergebnissen des offenbarten Verfahrens und der benötigten Ausgabesignale zum Erreichen dieses Zustands bestimmen können. Wie anwendbar für das offenbarte Verfahren, verwaltet die Heizvorgangs-Steuerung 150 die Menge der an die erste Schweißelektrode 18 extern zugeführten Wärme vor und/oder nach dem Durchfließen des elektrischen Stromes zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode 18, 20, um das Wärmeungleichgewicht, das sich zwischen dem Paar von benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 entwickelt, wenn elektrischer Strom durch den Werkstückstapel 10 fließt, auszugleichen.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 7–8 wird nun das offenbarte Verfahren nachfolgend in Bezug auf den „2T“-Werkstückstapel, der nur das Paar von benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14 beinhaltet, beschrieben. Die Anwesenheit zusätzlicher Werkstücke im Werkstückstapel 10 einschließlich beispielsweise der vorstehend beschriebenen Aluminium- oder Stahlwerkstücke 44, 52 beeinflusst nicht die Art der Durchführung des Punktschweißverfahrens oder hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Zusammenfügemechanismus, der an der Passschnittstelle 40 der benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 stattfindet. Die unten angegebene genauere Erläuterung gilt somit für Fälle, in denen der Werkstückstapel 10 ein „3T“-Stapel ist, der das zusätzliche Aluminiumwerkstück 44 (3) oder das zusätzliche Stahlwerkstück 52 (4) sowie „4T“-Werkstückstapel beinhaltet, trotz der Tatsache, dass diese zusätzlichen Werkstücke in 1 und 7–8 nicht erläutert sind.
Zu Beginn des Widerstandspunktschweißverfahrens, das in 1 dargestellt ist, ist der Werkstückstapel 10 zwischen der ersten Schweißelektrode 18 und der gegenüberliegenden zweiten Schweißelektrode 20 angeordnet. Die Schweißfläche 78 der ersten Schweißelektrode 18 ist positioniert, um die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 der ersten Seite 24 des Stapels 10 zu kontaktieren und die Schweißfläche 86 der zweiten Schweißelektrode 20 ist angeordnet, um die Stahlwerkstück-Oberfläche 30 der zweiten Seite 28 zu kontaktieren. Die Schweißzange 22 wird dann die erste und zweite Schweißelektrode 18, 20 so zueinander führen, dass ihre entsprechenden Schweißflächen 78, 86 gegen die gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten 24, 28 des Stapels 10 an der Schweißstelle 16 gepresst werden. Die Schweißflächen 78, 86 sind typischerweise zueinander fluchtend an der Schweißstelle 16 unter einer auf den Werkstückstapel 10 auferlegten Klemmkraft ausgerichtet. Die aufgebrachte Klemmkraft liegt vorzugsweise zwischen 400 lb (etwa 181 kg) und 2000 lb (etwa 907 kg) oder enger gefasst zwischen 600 lb (etwa 272 kg) und 1300 lb (etwa 590 kg).
Die erste Schweißelektrode 18 wird erhitzt, um deren Temperatur auf eine erhöhte Temperatur über Umgebungsbedingungen zu heben, bevor elektrische Strom zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Schweißelektroden 18, 20 durchgeleitet wird. Dies kann Erhitzen der ersten Schweißelektrode 18 und insbesondere der ersten Schweißfläche 78 auf eine erhöhte Temperatur nicht über der Schmelztemperatur des Aluminiums im Aluminiumwerkstück 12 beinhalten. Das Anheben der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 auf zwischen 200 °C bis 500 °C ist besonders bevorzugt. Der Vorgang des Anhebens der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 kann zudem jederzeit vor Stromfluss zwischen den Punktschweißelektroden 18, 20 durchgeführt werden, solange die erste Schweißelektrode 18 noch auf der erhöhten Temperatur ist, wenn sie die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 kontaktiert. So kann beispielsweise die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 zu einer der folgenden Zeiten erhöht werden: (1) Vor dem Kontakt zwischen der Schweißfläche 78 und der Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 des Stapels 10 eingeleitet, wenn die erste Schweißelektrode 18 mit Distanz von der ersten Seite 24 des Werkstückstapels 10 angebracht ist, (2) während die erste Schweißfläche 78 die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 kontaktiert oder (3) während beider erwähnter bestimmter Zeiträume (d. h. Perioden (1) und (2)).
Zurück zu den 5 und 7 für den Augenblick, kann das Erhitzen der ersten Schweißelektrode 18 auf die erhöhte Temperatur durch zusammenwirkendes Begrenzen oder vollständiges Anhalten der Strömung 104 des Kühlfluids durch die erste Schweißelektrode 18 und Zuführen von Wärme zur ersten Schweißelektrode 18 von der externen Wärmequelle 130 erreicht werden. Der genaue Grad der Strömung 104 des Kühlfluids wird begrenzt oder angehalten und die exakte Wärmemenge, die von der externen Wärmequelle 130 an die erste Schweißelektrode 18 geliefert wird, wird durch die Heizvorgangs-Steuerung 150 gesteuert. Die Bedeutung des Erwärmens der ersten Schweißelektrode 18 auf eine erhöhte Temperatur vor Stromfluss zwischen den Schweißelektroden 18, 20 und Kontaktieren der Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 der ersten Seite 24 des Werkstückstapels 10 mit der ersten Schweißfläche 78, während die erste Schweißelektrode 18 auf der erhöhten Temperatur ist, wird im Folgenden näher beschrieben einschließlich der Wirkung, die derartiges Aufheizen auf die Festigkeit der schließlich gebildeten Schweißnaht hat.
Nachdem die Schweißflächen 78, 86 der ersten und zweiten Schweißelektroden 18, 20 an die ersten und zweiten Seiten 24, 28 des Werkstückstapels 10 jeweils gepresst werden, wird der elektrische Strom zwischen den zueinander ausgerichteten Schweißflächen 78, 86 durchgeleitet. Der ausgetauschte elektrische Strom ist vorzugsweise ein Gleichstrom (DC), der von der Spannungsversorgung 60, die, wie gezeigt, elektrisch mit der ersten und zweiten Schweißelektrode 18, 20 kommuniziert. Die Stromversorgung 60 ist vorzugsweise eine Wechselrichter-Stromversorgung für mittelfrequenten Gleichstrom (MFDC), die einen Wechselrichter und einen MFDC-Transformator beinhaltet. Eine MFDC-Wechselrichter-Stromversorgung kann von einer Reihe von Lieferanten einschließlich RoMan Manufacturing (Grand Rapids, MI, USA), ARO Technologies (Chesterfield Township, MI, USA) und Bosch Rexroth (Charlotte, NC, USA) erworben werden. Die Eigenschaften des zugeführten elektrischen Stroms werden durch die Schweißnaht-Steuerung 62 gesteuert. Insbesondere erlaubt die Schweißnaht-Steuerung 62 einem Benutzer, einen Schweißzeitplan zu programmieren, der anordnet, in welcher Weise der elektrische Strom zwischen den Schweißelektroden 18, 20 ausgetauscht wird. Der Schweißplan ermöglicht unter anderem eine individuelle Steuerung der Stromstärke zu jedem gegebenen Zeitpunkt und der Dauer des Stromflusses bei jeder gegebenen Stromstärke und er ermöglicht es ferner solchen Attributen des elektrischen Stroms, auf Veränderungen in sehr kleinen Zeitschritten bis hin zu Bruchteilen einer Millisekunde zu reagieren.
Der zwischen den Schweißelektroden 18, 20 durchgeleitete elektrische Strom fließt durch den Werkstückstapel 10 und über die Passschnittstelle 40 zwischen dem Paar von benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücken 12, 14. Der ausgetauschte elektrische Strom kann konstant oder gepulst über der Zeit oder eine Kombination der beiden sein und weist typischerweise eine Stromstärke von 5 kA bis 50 kA auf, außer für mögliche „Ausschalten“”-Zeitspannen zwischen Impulsen und dauert etwa 40 ms bis 2500 ms. Der Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stroms erzeugt Wärme und schmilzt das Aluminiumwerkstück 12 eventuell, um ein Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks 12 zu erzeugen, wie in 7 gezeigt. Das Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium benetzt die benachbarte Passfläche 36 des Stahlwerkstücks 14 und erstreckt sich in das Aluminiumwerkstück 12 der Rückenfläche 34 entgegen (oder der gegenüberliegenden Passfläche 46). Das Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium kann in das Aluminiumwerkstück 12 über eine Distanz eindringen, die von 20 % bis 100 % der Dicke 120 des Aluminiumwerkstücks 12 an der Schweißstelle 16 reicht. Und was seine Zusammensetzung anbetrifft, so besteht das Aluminiumschweißbad 160 überwiegend aus geschmolzenem Aluminiummaterial aus dem Aluminiumwerkstück 12.
Das Aluminiumschweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium verfestigt sich in eine Schweißnaht 162, die die Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14 verbindet, nachdem der elektrische Strom zwischen den Schweißflächen 78, 86 der ersten und zweiten Schweißelektrode 18, 20 durchgeflossen und beendet ist, wie in 8 dargestellt. Die Schweißnaht 162 beinhaltet eine Aluminium-Schweißlinse 164 und eine intermetallische Fe-Al-Schicht 166. Die Aluminium-Schweißlinse 164 ist umfasst von verfestigtem Aluminium erstreckt sich in das Aluminiumwerkstück 12 mit einer Entfernung, die oft im Bereich von 20 % bis 100 % der Dicke 120 des Aluminiumwerkstücks 12 an der Schweißstelle 16 liegt, ebenso wie das bereits existierende Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium. Die Fe-Al-intermetallischen Schicht 166 befindet sich zwischen der Aluminium-Schweißlinse 164 und der Passfläche 36 des Stahlwerkstücks 14. Die Fe-Al intermetallische Schicht 166 wird hergestellt durch eine Reaktion zwischen dem Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium und dem Stahlwerkstück 14 bei Punktschweiß-Temperaturen und beinhaltet typischerweise FeAl₃-Verbindungen, Fe₂Al₅-Verbindungen und gegebenenfalls andere intermetallische Verbindungen und weist üblicherweise eine kombinierte Gesamtdicke von 1 µm bis 5 µm auf.
Nach die Passage elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden 18, 20 beendet ist und während die erste Schweißfläche 78 noch gegen die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 26 der ersten Seite 24 des Stapel 10 gepresst wird, wird die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 und insbesondere der ersten Schweißfläche 78 gesteuert zum Aufrechthalten ihrer Temperatur bei einer Haltetemperatur, die volles Erstarren des Schweißbads 160 aus geschmolzenem Aluminium in die Schweißnaht 162 verhindert, bis eine Temperatur des Stahlwerkstücks 14 an der Schweißstelle 16 bis unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumwerkstücks 12 abkühlt. Anders gesagt, die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 wird vorübergehend geregelt zum Abbremsen des Erstarrens des Schweißbads 160 aus geschmolzenem Aluminium und zum Bereitstellen von Zeit zum Abkühlen des thermisch mehr resistiven Stahlwerkstücks 14 anstatt des möglichst schnellen Abkühlens der ersten Schweißelektrode 18 nach konventionellen Punktschweißpraktiken. Das gesteuerte Absenken der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 hilft, die Ausbildung eines steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück 14 und der ersten Schweißelektrode 18 zu vermeiden, der sich sonst auf Grund des relativ geringen thermischen Widerstands des Aluminiumwerkstücks 12 entwickeln würde. Hier ist die Haltetemperatur der ersten Schweißelektrode 18 tatsächlich ein Bereich – und nicht notwendigerweise ein einzelnes Temperaturgrad – der sich vom Schmelzpunkt des Aluminiumwerkstücks 12 bis 100 °C erstreckt oder bevorzugt von 200 °C bis 500 °C.
Die Haltetemperatur der ersten Schweißelektrode 18 muss nicht während der gesamten Zeit, die das Stahlwerkstück 14 zum Abkühlen auf Umgebungsverhältnisse benötigt, eingehalten werden. Die Haltetemperatur kann beispielsweise beibehalten werden während des Zeitraums, in dem die Temperatur des Stahlwerkstücks 14 abnimmt von einer Spitzentemperatur, die beim Abstellen des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden 18, 20 auftritt, bis die Temperatur des Stahlwerkstücks 14 bis unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumwerkstück 12 abfällt. Der Schmelzpunkt des Aluminiumwerkstücks 12 kann von 570 °C bis 660 °C reichen aufgrund der Vielzahl von Zusammensetzungen des Aluminiumwerkstücks 12. Sobald die Temperatur des Stahlwerkstücks 14 unter den Schmelzpunkt des Aluminiumwerkstücks 12 fällt, was vorzugsweise durch die Strömung 116 des Kühlfluids durch die zweite Schweißelektrode 20 bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit unterstützt wird und was von 5 ms bis 50 ms dauern kann, kann die Steuerung der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 aufgegeben werden und die Elektrode 18 kann normal weiter herunterkühlen.
Die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 kann durch die Haltetemperatur zusammenwirkend durch Steuern der Strömung 104 des Kühlfluids durch die erste Schweißelektrode 18 und der Menge der zur ersten Schweißelektrode 18 durch die externe Wärmequelle 130 zur Regelung der Rate der Elektrodenkühlung zugeführten Wärme aufrechterhalten werden. Auf diese Weise kann die Strömung 104 des Kühlfluids beschränkt oder ganz über die Zeit angehalten werden, um die Menge der Wärme, die der ersten Schweißelektrode 18 entnommen wird, zu verändern und die Menge der Wärme, die durch die externe Wärmequelle 130 über die Zeit geliefert wird, kann verändert werden, um die Menge von in die erste Schweißelektrode 18 übertragener Wärme zu verändern. Das Gleichgewicht des Extrahierens von Wärme durch die Strömung 104 des Kühlfluids und dem Zuführen von Wärme von der äußeren Wärmequelle 130 wird präzise durch die Verfahrenssteuerung 150 basierend auf Eingabedaten, die vom Temperatursensor 152 und den Durchflussmessern 154, 156 sowie besonderen Daten bezogen auf das Abkühlen über die Zeit des bestimmten Stahlwerkstücks 14 einbezogen in den Werkstückstapel 10 nach Abschalten des Stromflusses zwischen den Schweißelektroden 18, 20 gesteuert.
Die erste und die zweite Schweißelektrode 18, 20 üben weiterhin die Klemmkraft auf den Werkstückstapel 10 aus, bis das Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium vollständig zur Schweißnaht 162 erstarrt ist. Sobald die Schweißnaht 162 gebildet ist, wird die Klemmkraft auf den Werkstückstapel 10 an der Schweißstelle 16 verringert und die erste und zweite Schweißelektrode 18, 20 von ihren jeweiligen Seiten 24, 28 des Stapels 10 zurückgezogen. Der Werkstückstapel 10 kann nun gegenüber der Schweißzange 22 so bewegt werden, dass die erste und die zweite Schweißelektrode 18, 20 in zugewandter Ausrichtung an einer anderen Schweißstelle 16 angeordnet werden kann, wo das Punktschweißverfahren wiederholt wird. Oder anstatt Punktschweißen an einer anderen Stelle 16 durchzuführen, kann der Werkstückstapel 10 von der Schweißzange 22 wegbewegt werden, um Platz für einen gleichen Werkstückstapel 10 zu schaffen. Das Punktschweißverfahren kann somit viele Male an unterschiedlichen Schweißstellen 16 an den gleichen oder unterschiedlichen Werkstückstapeln in einer Herstellungsanordnung durchgeführt werden.
Die Schweißnaht 162, die nach dem offenbarten Verfahren gebildet wurde, weist erwartungsgemäß eine verbesserte Festigkeit auf – insbesondere eine verbesserte Schälfestigkeit – im Vergleich zu nach konventionellen Punktschweißpraktiken gefertigten Schweißnahten. Die verbesserte Festigkeit kann auf das vorzeitige Erhitzen der ersten Schweißelektrode 18 vor Beginnen des elektrischen Stromflusses zwischen den Schweißelektroden 18, 20 zurückzuführen sein, was die Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 auf der Haltetemperatur hält, während sich das Stahlwerkstück 14 aufgrund des Wegfalls des elektrischen Stromflusses zwischen den Schweißelektroden 18, 20 oder beiden abkühlt. Genauer gesagt, führt der Schritt des Erwärmens der ersten Schweißelektrode 18 auf eine erhöhte Temperatur und Kontaktieren der ersten Schweißfläche 78 mit der ersten Seite 24 des Werkstückstapels 10 an der Schweißstelle 16, während die erste Schweißelektrode 18 auf der erhöhten Temperatur ist, Wärme leitend in das darunterliegende Aluminiumwerkstück 12 ein, das dem Stahlwerkstück 14 benachbart liegt. Diese zusätzliche Wärme reduziert die Wärmemenge, die vom Stahlwerkstück 14 zugeführt werden muss (über Leitung des elektrischen Stroms durch den Werkstückstapel 10) zum Erstellen des Schweißbads 160 aus geschmolzenem Aluminium, wovon man annimmt, dass es zur Reduzierung der Dicke der spröden intermetallischen Fe-Al Schicht 166, die sich neben der Passschnittstelle 36 der Stahlwerkstücke 14 innerhalb der Schweißnaht 162 befindet.
Der Schritt der Aufrechterhaltung der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 auf die Haltetemperatur, während das Stahlwerkstück 14 auf unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumwerkstücks 12 abkühlt, soll positiv zur Erhöhung der Festigkeit der Schweißnaht 162 durch Minimieren von Defekten innerhalb der Schweißnaht 162 an und entlang einer Verbindungsfläche 168 der Schweißnaht 162 und des Stahlwerkstücks 14 beitragen. Die Vermehrung von Schweißdefekten entlang einer Bindungsfläche 168 wird durch Änderung des Verfestigungsverhaltens des Schweißbads 160 aus geschmolzenem Aluminium in einer Weise, die Schweißnahtdefekte in Richtung Mitte der Schweißnaht 162 und weg von dem äußeren Rand der Schweißnaht 162 treibt oder schiebt. Dirigieren von Schweißdefekten in Richtung der Mitte der Schweißnaht 162 hat eine günstige Auswirkung auf die Abziehfestigkeit und Querspannungsfestigkeit, da die Mitte der Schweißnaht 162 ein harmloserer Ort für das Vorhandensein von Schweißfehlern als nahe am äußeren Rand der Verbindung 162 benachbart zur Kerbzone ist, die die Schweißnaht 162 umgibt.
Der Einfluss, den das Aufrechthalten der Temperatur in der ersten Schweißelektrode 18 nach Beenden des Stromflusses auf das Verfestigungsverhalten des Schweißbads 160 aus geschmolzenem Aluminium hat, ist im Allgemeinen dargestellt in den 9–10. Um einigen Kontext bereitzustellen, zeigt 9 eine Schweißnaht 200, die zwischen einem Aluminiumwerkstück 202 und einem Stahlwerkstück 204 gebildet ist, die zum Errichten einer Passschnittstelle 206 überlappen. Die hier dargestellte Schweißnaht 200 ist repräsentativ für eine Schweißnaht, die durch ein konventionelles Widerstandspunktschweißverfahren gebildet wurde, das keine Merkmale des vorstehend beschriebenen Verfahrens verwendet. Wie ersichtlich, sind Schweißdefekte 208 an und entlang einer Verbindungsfläche 210 der Schweißnaht 200 und des Stahlwerkstücks 204 verteilt. Diese Schweißdefekte 208 können Schrumpfungshohlräume, Gasporosität, Oberflächenoxidreste und Mikrorisse unter anderem beinhalten. Wenn vorhanden und verteilt an und entlang der Verbindungsfläche 210, können die Schweißdefekte 208 die Abschäl- und Querspannfestigkeit der Schweißnaht 200 reduzieren.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, ist anzunehmen, dass die Streuung der Schweißdefekte 208 an und entlang der Verbindungsfläche 210 mindestens teilweise dem Verfestigungsverhalten des bereits existierenden Schweißschmelzbads aus geschmolzenem Aluminium geschuldet ist, da es sich in die Schweißnaht 200 umwandelt. Insbesondere kann sich eine Wärmeungleichheit zwischen dem viel heißeren Stahlwerkstück 204 und dem Aluminiumwerkstück 202 aufgrund der verschiedenen physikalischen Eigenschaften der beiden Materialien entwickeln – nämlich aufgrund der deutlich größeren thermischen und elektrischen Widerstände von Stahl. Das Stahlwerkstück 204 wirkt daher als Wärmequelle, während das Aluminiumwerkstück 202 als Wärmeleiter wirkt, wodurch ein starker Temperaturgradient in vertikaler Richtung erzeugt wird, der bewirkt, dass das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium von dem Bereich nahe der kälteren (z. B. wassergekühlten) Schweißelektrode aus nahe dem Aluminiumwerkstück 202 in Richtung des Stahlwerkstücks 204 abkühlt und erstarrt. Der Weg und die Richtung der Verfestigungsfront sind in 8 durch die Pfeile 212 dargestellt. Je mehr die Verfestigungsfront entlang Weg 212 fortschreitet, werden die Schweißdefekte 208 in Richtung der Passschnittstelle 210 der Schweißnaht 200 und des Stahlwerkstücks 204 getrieben und enden schließlich verteilt entlang der Passschnittstelle 210 innerhalb der Schweißnaht 200.
Durch Halten der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 auf der Haltetemperatur mindestens, bis die Temperatur des Stahlwerkstücks 14 bis unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumwerkstücks 12 abfällt, zeigt das in 9 dargestellte Verfestigungsverhalten und die Ausbreitung von Schweißmängeln, dass dies vermieden werden kann. Bezugnehmend nun auf 10 ist eine vergrößerte Darstellung der Schweißnaht 162 gezeigt, die nach dem vorstehend beschriebenen Punktschweißverfahren gebildet wurde. Wie ersichtlich, sind Schweißdefekte 170 in dieser Schweißnaht 162 nahe dem Zentrum der Verbindung 162 im Gegensatz zu einer größeren Verteilung entlang der Passschnittstelle 168 angesammelt, wie in 9 dargestellt. Die Schweißstellendefekte 170 werden in Richtung der Mitte der Schweißnaht 162 getrieben, da die neue Temperaturverteilung innerhalb des Werkstückstapels 10, die aus dem Aufrechterhalten der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 auf der Haltetemperatur resultiert, dass sich das Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium von seinem äußeren Rand zu seinem Zentrum hin verfestigt. Der Weg und die Richtung der Verfestigungsfront sind im Allgemeinen in 10 durch Pfeile 172 dargestellt. Der Weg 172 kann hier Schweißdefekte 170 in die Mitte der Schweißnaht 162 treiben, entweder auf der oder entfernt von der Passschnittstelle 168 und kann die Defekte 170 zu größer dimensionierten Defekten verdichten.
Der Vorgang des Aufrechterhaltens der Temperatur der ersten Schweißelektrode 18 auf der Haltetemperatur mindestens zeitweise, wie oben beschrieben, startet die Verfestigungsfront 172 in 10 durch Unterdrücken der Bildung eines steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück 14 und der ersten Schweißelektrode 18 nach dem Wegfall des Stromflusses. Die gleichgewichtigere Wärmeverteilung auf gegenüberliegenden Seiten des Aluminiumwerkstücks 12 ändert die Temperaturverteilung innerhalb der Schweißstelle 16 durch das Erzeugen dreidimensionaler radialer Temperaturgradienten um das Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium oder das Vergrößern von bereits vorhandenen dreidimensionalen radialen Temperaturgradienten. Diese neuen und/oder vergrößerten radialen Temperaturgradienten verlangsamen gerichteten Wärmestrom in die erste Schweißelektrode 18 aus dem Schweißbad 160 aus geschmolzenem Aluminium und fördern damit seitlichen Wärmefluss in die Ebenen der Aluminium- und Stahlwerkstücke 12, 14, was endgültige Verfestigung in der Mitte Schweißbads 160 aus geschmolzenem Aluminium vorantreibt. Hierdurch werden Schweißnahtfehler wie Schrumpfhohlräume, Gashohlräume, Mikrorisse und Oxidfilmreste getrieben an die und an der Mitte der Schweißnaht 162 zurückgehalten, wie dargestellt, wo sie weniger wahrscheinlich die Festigkeit der Verbindung 162 beeinträchtigen.
Eine Reihe von Variationen des vorstehend beschriebenen und in den 1–10 gezeigten offenbarten Verfahren kann einschließlich alternativen Ausführungsformen der externen Wärmequelle 130 umgesetzt werden. Zum Beispiel, wie in 11 dargestellt, kann die externe Wärmequelle 130 ein Gasauslassrohr 180 beinhalten, das auf die erste Schweißelektrode 18 gerichtet ist und auf der ersten Schweißzange 64 getragen wird. Das Gasauslassrohr 180 ist konfiguriert zum Dirigieren eines Stroms von erwärmtem Gas 182 wie etwa heißer Luft an die erste Schweißelektrode 18 zur Wärmeversorgung der Elektrode 18. Die Strömung des erwärmten Gases 182 kann zunächst den Elektrodenkörper 76 und/oder die Schweißfläche 78 der ersten Schweißelektrode 18 beeinflussen. In einer anderen Ausführungsform, wie in 12 gezeigt, kann die externe Wärmequelle 130 einen Laserstrahlkopf 190 beinhalten, der einen Laserstrahl 192 so an die erste Schweißelektrode 18 lenkt, dass der Laserstrahl 192 die Elektrode 18 zum Erzeugen und Zuführen von Wärme an die Elektrode 18 ohne Einleiten von Schmelzen fällt. Der Laserstrahl 192 kann die erste Schweißelektrode 18 an einer beliebigen Stelle auf dem Elektrodenkörper 76 oder der Schweißfläche 78 treffen. Des Weiteren und in den Figuren nicht dargestellt, kann ein Rohr, das überhitzten Dampf befördert, um den Elektrodenkörper 76 der ersten Schweißelektrode 18 als ein Mechanismus zur Wärmeversorgung der Elektrode 18 gewickelt sein. Das gleiche oben beschriebene Basis-Steuersystem kann auch zum Steuern der anderen Arten von externen Heizquellen verwendet werden, einschließlich jener, die in den 11–12 dargestellt sind.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0025]
US 8222560 [0038]
US 8436269 [0038]
US 8927894 [0038]
US 2013/0200048 [0038]

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Aluminiumwerkstücks mit einem Stahlwerkstück, das Verfahren umfassend: das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der eine erste Seite, die durch einen Aluminiumwerkstückstapel dargestellt wird, und eine zweite Seite, die durch einen Stahlwerkstückstapel dargestellt wird, beinhaltet, wobei der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück umfasst, worin eine Passfläche des Aluminiumwerkstücks eine Passfläche des Stahlwerkstücks zum Bilden einer Passfläche zwischen den Werkstücken berührt; das Bereitstellen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode, wobei die erste Schweißelektrode eine Schweißfläche aufweist, die der ersten Seite des Werkstückstapels gegenübersteht und die zweite Schweißelektrode eine Schweißfläche aufweist, die die zweite Seite des Werkstückstapels berührt; das Erhitzen der ersten Schweißelektrode zum Erhöhen einer Temperatur der ersten Schweißelektrode auf eine erhöhte Temperatur, die nicht über einen Schmelzpunkt des Aluminiumwerkstücks hinausgeht; das Drücken der Schweißfläche der ersten Schweißelektrode und die Schweißfläche der zweiten Schweißelektrode jeweils gegen die erste Seite und die zweite Seite des Werkstückstapels, während die erste Schweißelektrode auf der erhöhten Temperatur ist, Drücken der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche gegen ihre jeweiligen ersten und zweiten Seiten des Werkstückstapels in gegenüberstehender Ausrichtung zueinander an einer Schweißstelle; das Durchleiten von elektrischem Strom zwischen der Schweißfläche der ersten Schweißelektrode und der Schweißfläche der zweiten Schweißelektrode zum Erzeugen eines Schmelzbades aus geschmolzenem Aluminium innerhalb des Aluminiumwerkstücks, wobei das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium die Passschnittstelle des Stahlwerkstücks benetzt; und das Aussetzen des Durchleitens des elektrischen Stroms zwischen der Schweißfläche der ersten Schweißelektrode und der Schweißfläche der zweiten Schweißelektrode derart, dass das Schmelzbad aus geschmolzenem Aluminium sich in einer Schweißnaht verfestigt, die die überlappenden Aluminium- und Stahlwerkstücke miteinander schweißverbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Erwärmens der ersten Schweißelektrode Folgendes umfasst: das Begrenzen eines Durchflusses von Kühlfluid durch die erste Schweißelektrode auf weniger als eine maximale Strömungsrate oder vollständiges Anhalten des Durchflusses der Kühlfluid; und das Zuführen von Wärme von einer externen Wärmequelle zur ersten Schweißelektrode.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt des Zuführens von Wärme von der externen Wärmequelle zur ersten Schweißelektrode das Durchleiten eines elektrischen Stroms durch ein Widerstandsheizelement, das die erste Schweißelektrode kontaktiert und umgibt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Widerstandsheizelement ein resistiver Draht ist, der einen Elektrodenkörper der ersten Schweißelektrode umgibt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt des Zuführens von Wärme von der externen Wärmequelle zur ersten Schweißelektrode Dirigieren eines Stromes von erwärmten Gas zur ersten Schweißelektrode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt des Zuführens von Wärme von der externen Wärmequelle zur ersten Schweißelektrode Auftreffen eines Laserstrahls auf die erste Schweißelektrode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erhöhte Temperatur der ersten Schweißelektrode zwischen 100 °C bis 600 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren Folgendes umfassend: das Steuern der Temperatur der ersten Schweißelektrode nach Durchfließen des elektrischen Stroms zwischen der Schweißfläche der ersten Schweißelektrode und der Schweißfläche der zweiten Schweißelektrode und mit der ersten Schweißelektrode noch in Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück, um die Temperatur der ersten Schweißelektrode bei einer Haltetemperatur zu halten, um das vollständige Erstarren des Schweißbades aus geschmolzenem Aluminium mindestens bis auf eine Temperatur zu verhindern, auf die das Stahlwerkstück an der Schweißstelle bis auf unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumwerkstücks abkühlt.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Steuerns der Temperatur der ersten Schweißelektrode zum Halten der Temperatur der Elektrode auf der Haltetemperatur umfasst: Passieren eines Durchflusses von Kühlfluid durch die erste Schweißelektrode mit einer Strömungsgeschwindigkeit; Liefern einer Wärmemenge von einer externen Wärmequelle an die erste Schweißelektrode; und Steuern der Strömungsrate der Kühlfluid und der Wärmemenge Menge an die erste Schweißelektrode zum Erzielen der Haltetemperatur.
Verfahren nach Anspruch 9, worin der Schritt des Zuführens einer Wärmemenge von der externen Wärmequelle an die erste Schweißelektrode mindestens eine der folgenden Optionen umfasst: (1) das Leiten eines elektrischen Stroms durch ein Widerstandsheizelement, das die erste Schweißelektrode kontaktiert und umgibt; (2) das Leiten eines Stroms von erwärmtem Gas an die erste Schweißelektrode; oder (3) das Auftreffen eines Laserstrahls auf der ersten Schweißelektrode.