DE102017211511A1

DE102017211511A1 - Laserstrukturierte Elektroden- und Werkstückoberflächen für das Widerstandspunktschweißen

Info

Publication number: DE102017211511A1
Application number: DE102017211511.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Zwahr; Andrés Fabián Lasagni; Stefan Heilmann; Uwe Füssel; Christian Mathiszik; Max-Martin Ketzel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausbildung von Widerstandspressschweißverbindungen werden zwei Elektroden, die an eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle angeschlossen sind, an zwei gegenüberliegenden Oberflächen von miteinander zu fügenden Werkstücken mit den Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht. Es werden Elektroden eingesetzt, deren Oberfläche im Bereich, der mit einer Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird, zumindest bereichsweise mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierende Laserstrahlen strukturiert worden ist. Allein oder zusätzlich dazu können Oberflächenbereiche mindestens eines zu fügenden Werkstücks, mit denen eine Widerstandspressschweißverbindung ausgebildet werden soll, mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierender Laserstrahlen zumindest bereichsweise strukturiert worden sein, bevor die jeweilige Widerstandspressschweißverbindung ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Widerstandspressschweißverbindungen. Sie ist insbesondere zum Fügen metallischer Bleche im Karosseriebau geeignet. Man kann diese stoffschlüssige Verbindungsart auch als Punkt- oder auch Rollnahtschweißverbindung bezeichnen.
Um insbesondere Aluminiumwerkstoffe und beschichtete Stahlbleche im Karosseriebau durch eine Erhöhung der Elektrodenstandzeit kostengünstig anwenden zu können, sollte der elektrische Widerstand der Aluminiumoberfläche und der Stahlbeschichtung effektiv gesenkt werden.
Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Erhöhung der Elektrodenstandzeit beim Widerstandspunktschweißen bekannt. Das Ziel dieser Verfahren ist die Minimierung des Kontaktwiderstandes zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche. So werden neue Elektrodenwerkstoffe und Beschichtungen oder neuartige Elektrodenformen vorgeschlagen. Diese sind auch speziell für das Schweißen von Werkstücken aus Aluminium und dessen Legierungen ausgelegt, weshalb in der Automobilindustrie nicht alle Schweißpunkte mit den gleichen Elektroden geschweißt werden können. Durch den Wechsel der Elektroden entstehen zusätzliche Rüst- und Nebenzeiten und Kosten. Zur Fertigung der Elektroden müssen spezielle Fräsmesser verwendet werden. Zusätzlich müssen die Beschichtungen aufgrund von Verschleiß regelmäßig erneuert werden, wozu spezielle Anlagen notwendig sind, die den Prozessaufwand und die Kosten des Widerstandspunktschweißens erhöhen.
Eine weitere elektrodenseitige Möglichkeit zur Steigerung der Prozesssicherheit ist das häufigere Fräsen von Elektrodenkappen. Dies ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht vorteilhaft, da wahrend des Fräsens nicht geschweißt werden kann und der Elektrodenwerkstoffverbrauch ansteigt.
Es werden auch mechanisch an Oberflächen strukturierte Elektroden zum Schweißen von Aluminium eingesetzt. Dies kann mittels Kugelstrahlen oder Prägen von Oberflächenbereichen an Elektroden erreicht werden. Dadurch konnten die Prozesstoleranzen und der Bereich des einzubringenden elektrischen Schweißstroms vergrößert werden. Eine Erhöhung der Standzeit von Elektroden konnte jedoch nicht nachgewiesen werden.
Es sind auch ringförmige Strukturen im Submillimeterbereich in die Oberflächen von Elektroden gefräst worden. Diese Strukturen sind bis zu 150 µm tief und sollen das Durchbrechen der Oxidschicht während des Schweißprozesses bewirken. Dadurch konnte eine verbesserte elektrische Kontaktierung zwischen Elektrode und Werkstückoberfläche erreicht werden. Trotzdem sind so strukturierte Elektroden bereits nach 50 bis 100 Schweißversuchen beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumblechen verschlissen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Standzeiten von Elektroden beim Widerstandspunktschweißen, insbesondere beim Widerstandspunktschweißen von Werkstücken aus Aluminium und Aluminiumlegierungen zu erhöhen und dabei möglichst den erforderlichen Energieeintrag zu minimieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausbildung von Widerstandspressschweißverbindungen werden zwei Elektroden, die an eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle angeschlossen sind, an zwei gegenüberliegenden Oberflächen von miteinander zu fügenden Werkstücken mit den Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht. Dabei werden in einer Alternative Elektroden eingesetzt deren Oberfläche zumindest bereichsweise im Bereich, der mit einer Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird, mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierende Laserstrahlen insbesondere mittels Direkter Laserinterferenzstrukturierung strukturiert worden ist.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative, die allein oder zusätzlich zur ersten Alternative angewandt werden kann, werden Oberflächenbereiche mindestens eines zu fügenden Werkstücks, mit denen eine Widerstandspressschweißverbindung ausgebildet werden soll, mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierende Laserstrahlen zumindest bereichsweise strukturiert, bevor die jeweilige Widerstandspressschweißverbindung ausgebildet wird.
Der jeweilige Bereich der Oberfläche einer Elektrode und/oder eines Werkstückes kann also vollständig oder teilweise so strukturiert worden sein, bevor die Schweißverbindung hergestellt wird.
Vorteilhaft werden die Elektroden mit einer vorgebbaren Kraft gegen die jeweilige Werkstückoberfläche gedrückt. Die Kraft sollte dabei so groß sein, dass mit strukturierten Oberflächenbereichen eine Schicht, die an der Oberfläche mindestens eines Werkstücks vorhanden ist, durchbrochen und dadurch die elektrische Leitfähigkeit in diesem Bereich erhöht werden kann. Zusätzlich kann durch gezielte Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Strompfad beeinflusst werden.
Strukturen, die mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierende Laserstrahlen ausgebildet worden sind, können an einer Oberfläche eines Werkstücks, an mehreren Oberflächen oder gar an allen Oberflächen von Werkstücken, die für die Ausbildung einer Widerstandspressschweißverbindung genutzt werden, ausgebildet werden.
Bei der Erfindung kann das allgemein bekannte Verfahren der Direkten Laserinterferenzstrukturierung eingesetzt werden. Verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung dieses Verfahrens sind u.a. in DE 10 2015 214 960 A1 , DE 10 2013 007 524 A1 , DE 10 2013 004 869 B4 , DE 10 2012 011 343 A1 , DE 10 2011 119 764 B4 und DE 10 2011 101 415 A1 bekannt. Sie können bei der Erfindung angewandt werden.
Als Elektrodenwerkstoffe können bevorzugt die in der DIN EN ISO 5182 beschriebenen Werkstoffe eingesetzt werden. Die Strukturierung kann auf jeder in der DIN EN ISO 5821 beschriebenen Elektrodenform erfolgen.
Die Erfindung nutzt die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Kontaktpartnern beim Widerstandspressschweißen aus. Durch die mittels Laserinterferenzstrukturierung bearbeiteten Oberflächen können auf den Oberflachen definierte Oberflächentopographien, chemische Zusammensetzungen und Härten, infolge einer Gefügeänderung und Veränderung der Oberflächenchemie, erzielt werden. Die Veränderung der chemischen Zusammensetzung kann während des Prozesses durch die Reaktion der Oberfläche mit umgebener Atmosphäre erfolgen. Eine sich bildende Reaktivschicht kann durch die eingebrachte Energie in die Oberfläche sowie die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt werden. Die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei beschichteten Materialien kann zusätzlich durch lokales Verdampfen der Beschichtung erfolgen.
So können mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierende Laserstrahlen, insbesondere mittels direktem Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) die Oberflächenbereiche von Elektroden, die beim Widerstandspressschweißen in direkten Kontakt mit der Oberfläche eines zu schweißenden Werkstücks kommen, strukturiert werden.
Bei der Erfindung können Strukturperioden von 0,2 µm bis 30 µm auf Flächen beliebiger Größe ausgebildet werden. Diese können Strukturtiefen von mindestens 0,01 µm bis zu 30 µm aufweisen. Sie zeichnen sich durch eine veränderte Härte und chemische Zusammensetzung gegenüber dem unbehandelten Elektrodenwerkstoff aus. Diese Veränderungen können beim DLIP-Prozess über die Periodizität der Laserintensitätsverteilung gezielt ortsaufgelöst im Bereich zwischen 0,2 µm bis 30 µm eingestellt werden. Durch die veränderten Eigenschaften kann gezielt eine auf der Oberfläche eines Werkstücks ausgebildete Schicht, insbesondere eine Oxidschicht oder andere dielektrische Schicht vom Elektrodenwerkstoff im strukturierten Oberflächenbereich durchdrungen und somit die elektrische Leitfähigkeit zwischen Elektrode und Werkstück verändert werden. Für den Fall der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Elektrode und Werkstück können die Verschleißerscheinungen aufgrund der verringerten Erwärmung an der Elektrode drastisch reduziert werden. Dadurch kann vorteilhaft auch die Standzeit und Lebensdauer der Elektroden um mindestens das 3-fache im Vergleich zu einer unstrukturierten Elektrode erhöht werden.
Bei der Erfindung besteht allein oder zusätzlich auch die Möglichkeit, Oberflächenbereiche von Werkstücken an denen eine stoffschlüssige Verbindung mittels Widerstandspressschweißen hergestellt werden soll, mittels DLIP zu strukturieren. Auch dort können Strukturperioden im Bereich 0,2 µm bis 30 µm auf Flächen mit beliebiger Größe ausgebildet werden. Diese können Strukturtiefen von 0,01 µm bis zu 30 µm aufweisen. Sie können ebenfalls eine veränderte Härte (insbesondere infolge einer Gefügeänderung) und chemische Zusammensetzung gegenüber dem Werkstückwerkstoff aufweisen. Diese Veränderungen können bei der Strukturierung mittels DLIP über die Periodizität der Laserintensitätsverteilung gezielt ortsaufgelöst im Bereich von 0,2 µm bis 20 µm eingestellt werden. Durch die veränderten Eigenschaften kann in den strukturierten Oberflächenbereichen gezielt eine auf der Werkstückoberfläche ausgebildete Schicht, insbesondere eine Oxidschicht aufgebrochen und somit die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Kontaktpartnern verändert werden. Für den Fall der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Oberflächen der Elektrode und dem jeweiligen Werkstück können die Verschleißerscheinungen aufgrund der verringerten Erwärmung der Elektrode drastisch reduziert werden. In Folge dessen kann die Standzeit und Lebensdauer der Elektroden um ein Vielfaches erhöht werden. Für den Fall der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Fügepartnern kann die Erwärmung in den Fügeebenen gezielt eingestellt werden. So kann beispielsweise bei einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit ein geringerer elektrischer Schweißstrom für den gleichen Energieeintrag in der/den Fügeebenen der miteinander zu verbindenden Werkstücke erforderlich sein.
Durch unterschiedliche Strukturen, was die Periode und/oder die Strukturtiefen betreffen kann, an Bereichen der Oberfläche eines Werkstücks, die für das stoffschlüssige Fügen vorgesehen sind, können gezielt ortsaufgelöst unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten eingestellt werden.
Mit der Erfindung können die Herstellungskosten durch verringerte erforderliche Rüstzeiten, eine Reduzierung von Nachbearbeitungen an Elektroden und eine mögliche Reduzierung des erforderlichen elektrischen Stromes zur Ausbildung der Schweißverbindung reduziert werden.
Durch die bereits erwähnte ortsaufgelöst einstellbare elektrische Leitfähigkeit können auch verschiedene Schweißpunktgeometrien ausgebildet werden. Es kann auch mit erhöhten mechanischen Kräften, die beim Fügen zwischen Elektroden und Werkstücken wirken, gearbeitet werden, was zur Verbesserung der Qualität führen kann.
Mit einer Periodizität der ausgebildeten Strukturierung kleiner 20 µm kann mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften positiv beeinflusst werden:

- eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit im Kontaktbereich zwischen zu fügenden Werkstücken und/oder einer jeweiligen Elektrode,
- eine Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode und/oder des Werkstückes,
- eine Veränderung der Flächenpressung zwischen den Werkstücken und/oder der jeweiligen Elektrode,
- eine Veränderung der Oberflächenchemie und -härte,
- die Entstehung mechanischer Spannungsspitzen, die die Zerstörung einer Oxidschicht zur Folge haben.

Vorteilhaft können eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Werkstücken und/oder der jeweiligen Elektrode,
einen Härteanstieg der Elektrodenoberfläche infolge der Laserbearbeitung, und/oder das Vermindern von Anlegierungen auf der Elektrodenoberfläche, und/oder die Herstellung einer definierten (homogenen) Elektroden- und/oder Werkstückoberfläche erreicht wird/werden
Mit der Erfindung können Werkstücke aus Aluminium, einem Stahl oder Kupfer sowie deren Legierungen oder intermetallische Phasen, die mit einem dieser Metalle gebildet sind verbunden werden. Es können auch Werkstücke an deren Oberfläche eine Schicht oder Beschichtung, insbesondere eine dielektrische Beschichtung oder Schicht vorhanden ist, miteinander verbunden werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Beim Widerstandspressschweißen von Aluminiumblechen führen die Kontaktwiderstände zwischen Elektrode und Blech durch die isolierende Al₂O₃ Schicht zu einer lokalen Erwärmung an der Elektrode. Dies führt zu einem schnellen Verschleißen der Elektrode durch die Bildung von Anlegierungen. In der Folge verringert sich die Elektrodenstandzeit im Schweißprozess und die Prozessstabilität sinkt.
Eine Veränderung der Kontaktfläche durch den Einsatz eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierender Laserstrahlen senkt den Widerstand zwischen Blech und Elektrode und reduziert das Verschleißen dieser.
Die Strukturierung der Elektrode durch die Überlagerung von zwei oder mehr Laserstrahlen (Laserinterferenz) unter verschiedenen Überlagerungswinkeln bei unterschiedlicher Intensität der Strahlen ermöglicht die im Patent beschriebene Variation der Strukturgrößen. Die erzeugte Oberflächentopographie beeinflusst die Kontaktfläche und verändert die Krafteinleitung von der Elektrode auf das Aluminiumblech. Die punktuelle Krafteinleitung führt zu lokalen mechanischen Spannungsspitzen, die zur Zerstörung der Oxidschicht führen. Dieser Prozess wird durch die Möglichkeit der Aufhärtung der Elektrode infolge der DLIP Bearbeitung verstärkt.
Weiterhin kann die Veränderung der chemischen Zusammensetzung die Neigung zur Bildung von chemischen Verbindungen (Anlegierungen) zwischen Elektrode und Blech verringern. Die Änderung der chemischen Zusammensetzung kann beim DLIP Verfahren durch verschiedene Atmosphären beeinflusst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015214960 A1 [0014]
DE 102013007524 A1 [0014]
DE 102013004869 B4 [0014]
DE 102012011343 A1 [0014]
DE 102011119764 B4 [0014]
DE 102011101415 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 5182 [0015]
DIN EN ISO 5821 [0015]

Claims

Verfahren zur Ausbildung von Widerstandspressschweißverbindungen, bei dem zwei Elektroden, die an eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle angeschlossen sind, an zwei gegenüberliegenden Oberflächen von miteinander zu fügenden Werkstücken mit den Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden eingesetzt werden, deren Oberfläche im Bereich, der mit einer Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird, zumindest bereichsweise mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierende Laserstrahlen strukturiert worden ist, und/oder Oberflächenbereiche mindestens eines zu fügenden Werkstücks, mit denen eine Widerstandspressschweißverbindung ausgebildet werden soll, mittels eines Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens oder interferierender Laserstrahlen zumindest bereichsweise strukturiert worden sind, bevor die jeweilige Widerstandspressschweißverbindung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturperioden bei der Direkten Laserinterferenzstrukturierung im Bereich 0,2 µm bis 30 µm und/oder Strukturtiefen im Bereich 0,01 µm bis zu 30 µm ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen im Bereich der ausgebildeten Strukturierung an der jeweiligen Oberfläche über die Periodizität der Laserintensitätsverteilung gezielt ortsaufgelöst im Bereich von 0,2 µm bis 30 µm eingestellt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Periodizität kleiner 30 µm eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit im Kontaktbereich zwischen zu fügenden Werkstücken und/oder einer jeweiligen Elektrode, eine Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode und/oder des Werkstückes, eine Veränderung der Flächenpressung zwischen den Werkstücken und/oder der jeweiligen Elektrode, eine Veränderung der Oberflächenchemie und -härte, und/oder die Entstehung mechanischer Spannungsspitzen, die die Zerstörung einer Oxidschicht zur Folge haben, erreicht wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Werkstücken und/oder der jeweiligen Elektrode, einen Härteanstieg der Elektrodenoberfläche infolge der Laserbearbeitung, und/oder das Vermindern von Anlegierungen auf der Elektrodenoberfläche, und/oder die Herstellung einer definierten (homogenen) Elektroden- und/oder Werkstückoberfläche erreicht wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke aus Aluminium, einem Stahl oder Kupfer sowie deren Legierungen oder intermetallische Phasen, die mit einem dieser Metalle gebildet sind verbunden werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke an deren Oberfläche eine Schicht oder Beschichtung, insbesondere eine dielektrische Beschichtung oder Schicht vorhanden ist, miteinander verbunden werden.