DE102018127362A1

DE102018127362A1 - Elektrodenschweissflächen-design

Info

Publication number: DE102018127362A1
Application number: DE102018127362.2A
Authority: DE
Inventors: Amberlee S. Haselhuhn; David R. Sigler; Blair E. Carlson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2019-05-09
Also published as: CN109746560B; US20190134735A1; US10730133B2; CN109746560A

Abstract

Eine Schweißelektrode und ein Verfahren zur Verwendung der Schweißelektrode beim Widerstandspunktschweißen werden offenbart. Die Schweißelektrode beinhaltet einen Körper und eine Schweißfläche. Die Schweißfläche beinhaltet einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt und sich von einem Außenumfang der Schweißfläche nach oben und radial nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt erstreckt. Der zentrale Kuppelabschnitt weist eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf, die von einer Basiskuppelfläche nach außen ragen. Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt umfasst einen innersten und einen äußersten ringförmigen Steg. Der äußerste ringförmige Steg am zentralen Kuppelabschnitt weist eine radiale innere Seitenfläche und eine radiale äußere Seitenfläche auf. Die radiale äußere Seitenfläche erstreckt sich unterhalb der Basiskuppelfläche nach unten bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche.

Description

EINLEITUNG
Das Widerstandspunktschweißen beruht auf dem kurzzeitigen Durchgang eines elektrischen Stroms durch sich überlappende Metallwerkstücke, um die Werkstücke zu erwärmen und an einer Schweißstelle zu verbinden. Zum Durchführen eines derartigen Schweißverfahrens werden zwei gegenüberliegende Punktschweißelektroden an ausgerichteten Punkten auf entgegengesetzten Seiten überlappenden Werkstücke eingespannt und ein elektrischer Strom wird von einer Elektrode zur anderen durch die Metallwerkstücke geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an deren Passschnittstelle. Die resistiv erzeugte Wärme wird schnell erzeugt und ist ausreichend konzentriert, um eines oder mehrere der überlappenden Metallwerkstücke zu schmelzen. Schließlich verfestigt sich beim Abkühlen der geschmolzene Abschnitt der Metallwerkstücke, um die Werkstücke miteinander zu verbinden. In der Praxis kann das Widerstandspunktschweißen zum Schmelzschweißen ähnlich zusammengesetzter Metallwerkstücke eingesetzt werden, die zwei oder mehr Stahlwerkstücke und neuerdings zwei oder mehr Aluminium- oder Aluminiumlegierungswerkstücke beinhalten, wobei es auch zum Verbinden unterschiedlicher Metallwerkstücke, wie beispielsweise eines Stahlwerkstücks mit einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungswerkstück, durch im Wesentlichen eine Lötverbindung verwendet werden kann.
Eine Reihe von Industrien setzen auf das Widerstandspunktschweißen, um zwei oder mehr Metallwerkstücke während der Herstellung einer größeren Baugruppe aneinanderzufügen. Die Automobilindustrie verwendet das Widerstandspunktschweißen beispielsweise oft, um Metallwerkstücke während der Herstellung von Rahmenkonstruktionsteilen (z. B. Karosserieseiten und Querträger) für eine Fahrzeugkarosserie (BIW) sowie von Fahrzeug-Verschlussteilen (z. B. Fahrzeugtüren, Hauben, Kofferraumdeckeln und Heckklappen) aneinanderzufügen, die unter anderem am BIW montiert sind. Während der programmierten Schweißreihenfolge dieser und anderer Komponenten kann es zu einer Vielzahl von Werkstückstapeln kommen, darunter Stapel von zwei oder mehr Stahlwerkstücken, Stapel von zwei oder mehr Werkstücken aus Aluminiumlegierung und Stapel, die je nach Fahrzeugkonstruktion ein Stahlwerkstück und ein angrenzendes Werkstück aus einer Aluminiumlegierung beinhalten. Neben der Automobilindustrie können auch in anderen Industriezweigen Widerstandspunktschweißungen einer oder mehrerer Arten von Werkstückstapeln in einer Fertigungsumgebung gewünscht werden. Diese anderen Industrien können die Luft- und Raumfahrt, die Schiffs-, Eisenbahn-, Hochbau- und Industrieausrüstungsbranche sein, um nur einige zu nennen.
Der elektrische Strom, der durch einen bestimmten Werkstückstapel zum Fügen der Metallwerkstücke geleitet wird, wird nicht beliebig geliefert. Der Durchgang des elektrischen Stroms muss so angepasst werden, dass er unter Berücksichtigung der Zusammensetzungen und der damit verbundenen Eigenschaften (z. B. Schmelzpunkte, elektrische und thermische Leitfähigkeiten usw.) der im Stapel enthaltenen Metallwerkstücke, der Dicke der Werkstücke, der Auswirkungen von Oberflächenbeschichtungen des Werkstücks und des Vorhandenseins von angewandten organischen Stoffen wie Dichtungen oder Klebstoffen zwischen den Werkstücken die richtige Wärmemenge an der Schweißstelle erzeugt, wobei gleichzeitig versucht wird, thermische Schäden und andere Beeinträchtigungen (z. B. Kontamination) der Schweißelektroden zu minimieren. Zu diesem Zweck wird der elektrische Strom typischerweise nach einem individuellen Schweißplan, der für diese spezielle Kombination von Metallwerkstücken entwickelt wurde, durch einen Werkstückstapel geleitet. Der anwendbare Schweißplan wird oft in Verbindung mit einer vorgegebenen Konstruktion einer oder beider Schweißelektroden umgesetzt. Somit kann die Konstruktion einer Schweißelektrode und insbesondere die Geometrie der Schweißnaht der Elektrode wesentlich zum erfolgreichen Fügen bestimmter Kombinationen von Metallwerkstücken beitragen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Körper und eine Schweißfläche. Der Körper weist ein vorderes und ein gegenüberliegendes hinteres Ende auf. Die Schweißfläche ist am vorderen Ende des Körpers abgestützt und umfasst einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt und sich von einem Außenumfang der Schweißfläche nach oben und radial nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt erstreckt. Der zentrale Kuppelabschnitt weist eine Basiskuppelfläche und eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf. Jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt ragt von der Basiskuppelfläche nach außen und umschließt eine Mittelachse der Schweißfläche. Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt beinhaltet einen innersten ringförmigen Steg, welcher der Mittelachse der Schweißfläche am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg, der am weitesten von der Mittelachse der Schweißfläche entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt den Plandurchmesser von den innersten ringförmigen Stegen bis zu den äußersten ringförmigen Stegen erhöht. Darüber hinaus weist der äußerste ringförmige Steg am zentralen Kuppelabschnitt eine radiale innere Seitenfläche und eine radiale äußere Seitenfläche auf. Die radiale äußere Seitenfläche des äußersten ringförmigen Stegs auf dem zentralen Kuppelabschnitt erstreckt sich unterhalb der Basiskuppelfläche nach unten bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche.
Die Schweißelektrode der vorgenannten Ausführungsform kann eine zusätzliche Struktur beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise der zentrale Kuppelabschnitt der Schweißfläche einen Plandurchmesser im Bereich von 3 mm bis 12 mm aufweisen, und die Basiskuppelfläche kann kugelig gewölbt sein und einen Krümmungsradius im Bereich von 10 mm bis 100 mm aufweisen. In noch einem weiteren Beispiel kann jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt von der Basiskuppelfläche nach außen ragen und eine Steghöhe von 20 µm bis 500 µm erreichen. In noch einem weiteren Beispiel kann die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt zwischen zwei und fünf Stege umfassen. Und in noch einem weiteren Beispiel weist der Schulterabschnitt der Schweißfläche eine Basisschulterfläche und ein oder mehrere ringförmige Oberflächenmerkmale auf. Jedes der einen oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale dringt nach innen in die Schulterbasisfläche ein oder ragt von ihr nach außen und umschließt den zentralen Kuppelabschnitt der Schweißfläche.
Zusätzlich kann der Schulterabschnitt der Schweißelektrode der vorgenannten Ausführungsform eine Basisschulterfläche beinhalten, die unter die Basiskuppelfläche des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt wird. Die Basisschulterfläche des Schulterabschnitts kann beispielsweise um einen Abstand von 0,05 mm bis 1,0 mm unter die Basiskuppelfläche des Mittelabschnitts gedrückt werden. In einer Implementierung kann die Basisschulterfläche frei von hervorstehenden ringförmigen Stegen und hervorstehenden Ringnuten sein und sich vom Außenumfang der Schweißfläche bis zur radialen äußeren Seitenfläche der äußersten ringförmigen Stegen des zentralen Kuppelabschnitts erstrecken. Die Basisschulterfläche in dieser Ausführung kann kugelförmig abgerundet sein und einen Krümmungsradius im Bereich von 10 mm bis 100 mm aufweisen.
In einer weiteren Implementierung kann der Schulterabschnitt der Schweißelektrode der vorgenannten Ausführungsform eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen beinhalten, die zwischen einem radialen Außenabschnitt der Basisschulterfläche, der angrenzend an den Außenumfang der Schweißfläche angeordnet ist, und einem radialen Innenabschnitt der Basisschulterfläche, der angrenzend an die radiale Außenseitenfläche der äußersten ringförmigen Stegen des zentralen Kuppelabschnitts angeordnet ist und an diese angrenzt. Jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt ragt von der Basisschulterfläche nach außen und umschließt den zentralen Kuppelabschnitt. Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt kann einen innersten ringförmigen Steg beinhalten, der dem zentralen Kuppelabschnitt am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg, der am weitesten vom zentralen Kuppelabschnitt entfernt ist. Darüber hinaus kann die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt durch Zwischenabschnitte der Schulterbasisfläche getrennt werden und den Plandurchmesser vom innersten ringförmigen Steg bis zum äußersten ringförmigen Steg auf dem Schulterabschnitt vergrößern. Ebenso kann bei dieser Implementierung jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt von der Basisschulterfläche bis zu einer Steghöhe im Bereich von 20 µm bis 500 µm nach außen ragen. Die Reihe von radial beabstandeten, ringförmigen Stegen am Schulterabschnitt kann zwischen zwei und sechs ringförmige Stege umfassen.
In einer weiteren Implementierung kann der Schulterabschnitt der Schweißelektrode der vorgenannten Ausführungsform eine Reihe von radial beabstandeten Ringnuten beinhalten. Jede der Reihen von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt ragt nach innen in die Schulterbasisfläche hinein und umschließt den zentralen Kuppelabschnitt. Die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt kann eine innerste Ringnut beinhalten, die dem zentralen Kuppelabschnitt am nächsten liegt, und eine äußerste Ringnut, die am weitesten vom zentralen Kuppelabschnitt entfernt ist. Die innerste Ringnut kann an den zentralen Kuppelabschnitt angrenzen und teilweise durch die radiale Außenseitenfläche der äußersten Ringrippe des zentralen Kuppelabschnitts definiert sein, und die äußerste Ringnut kann an einen radialen Außenabschnitt der Basisschulterfläche angrenzen, der sich radial nach innen vom Außenumfang der Schweißfläche bis zur äußersten Ringnut am Schulterabschnitt erstreckt. Darüber hinaus kann die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt durch Zwischenabschnitte der Basisschulterfläche getrennt werden und den Plandurchmesser von der innersten Ringnut bis zur äußersten Ringnut auf dem Schulterabschnitt vergrößern. Ebenso kann bei dieser Implementierung jede der Reihen von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt bis zu einer Nuttiefe von 20 µm bis 500 µm nach innen in die Basisschulterfläche eindringen. Die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten am Schulterabschnitt kann zwischen zwei und sechs Ringnuten umfassen.
In einer weiteren Implementierung kann der Schulterabschnitt der Schweißelektrode der vorgenannten Ausführungsform eine Basisschulterfläche beinhalten, die nicht unter die Basiskuppelfläche des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt wird, und kann ferner eine Reihe von radial beabstandeten Ringnuten beinhalten. Jede der Reihen von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt ragt nach innen in die Schulterbasisfläche hinein und umschließt den zentralen Kuppelabschnitt. Die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt kann eine innerste Ringnut beinhalten, die dem zentralen Kuppelabschnitt am nächsten liegt, und eine äußerste Ringnut, die am weitesten vom zentralen Kuppelabschnitt entfernt ist. Die innerste Ringnut kann an den zentralen Kuppelabschnitt angrenzen und teilweise durch die radiale Außenseitenfläche der äußersten Ringrippe des zentralen Kuppelabschnitts definiert sein, und die äußerste Ringnut kann an einen radialen Außenabschnitt der Basisschulterfläche angrenzen, der sich radial nach innen vom Außenumfang der Schweißfläche bis zur äußersten Ringnut am Schulterabschnitt erstreckt. Darüber hinaus kann die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt durch Zwischenabschnitte der Basisschulterfläche getrennt werden und den Plandurchmesser von der innersten Ringnut bis zur äußersten Ringnut auf dem Schulterabschnitt vergrößern. Ebenso kann bei dieser Implementierung jede der Reihen von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt bis zu einer Nuttiefe von 20 µm bis 500 µm nach innen in die Basisschulterfläche eindringen. Die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten am Schulterabschnitt kann zwischen zwei und sechs Ringnuten umfassen.
Eine Schweißelektrode gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Körper und eine Schweißfläche. Der Körper weist ein vorderes und ein gegenüberliegendes hinteres Ende auf. Die Schweißfläche ist am vorderen Ende des Körpers abgestützt und umfasst einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt und sich von einem Außenumfang der Schweißfläche nach oben und radial nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt erstreckt. Angesichts des zentralen Kuppelabschnitts weist er eine Basiskuppelfläche und eine Reihe von radial beabstandeten Ringrippen auf. Jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt ragt von der Basiskuppelfläche nach außen und umschließt eine Mittelachse der Schweißfläche. Die Reihe von radial beabstandeten Ringrippen auf dem zentralen Kuppelabschnitt beinhaltet einen innersten ringförmigen Steg, der der Mittelachse der Schweißfläche am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg, der am weitesten von der Mittelachse der Schweißfläche entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt den Plandurchmesser von den innersten ringförmigen Stegen bis zu den äußersten ringförmigen Stegen erhöht. Darüber hinaus weist der äußerste ringförmige Steg am zentralen Kuppelabschnitt eine radiale innere Seitenfläche und eine radiale äußere Seitenfläche auf. Die radiale äußeren Seitenfläche der äußersten ringförmigen Stege auf dem zentralen Kuppelabschnitt erstreckt sich unterhalb der Basiskuppelfläche nach unten bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche und weist eine Höhe auf, die größer ist als eine Höhe der radialen Innenseitenfläche. Angesichts des Schulterabschnitts weist dieser eine Basisschulterfläche auf und beinhaltet ein oder mehrere ringförmige Oberflächenmerkmale. Jedes der einen oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale dringt nach innen in die Schulterbasisfläche ein oder ragt von ihr nach außen und umschließt den zentralen Kuppelabschnitt.
Die Schweißelektrode der vorgenannten Ausführungsform kann eine zusätzliche Struktur beinhalten oder weiter definiert werden. So können beispielsweise die einen oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale eine Nut beinhalten, die nach innen in die Basisschulterfläche eindringt und an den zentralen Kuppelabschnitt angrenzt und teilweise durch die radiale Außenseitenfläche des äußersten ringförmigen Stegs des zentralen Kuppelabschnitts definiert ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Basisschulterfläche unter die Basiskuppelfläche des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt werden und einen radialen Innenabschnitt beinhalten, der angrenzend an und anliegend an die radiale Außenseitenfläche des äußersten ringförmigen Stegs des zentralen Kuppelabschnitts angeordnet ist, und die eine oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale können einen ringförmigen Steg beinhalten, der aus der Basisschulterfläche des Schulterabschnitts vorsteht.
Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann mehrere Schritte beinhalten. Bei einem Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück beinhaltet, das mit dem Aluminiumwerkstück überlappt, um eine Passschnittstelle zwischen dem Aluminium- und dem Stahlwerkstück herzustellen. Das Werkstückstapeln weist eine Aluminiumwerkstückoberfläche auf, die eine erste Seite des Stapels und eine Stahlwerkstückoberfläche aufweist, die eine gegenüberliegende zweite Seite des Stapels bildet. Bei einem weiteren Schritt wird der Werkstückstapel zwischen einer Schweißfläche einer ersten Schweißelektrode und einer Schweißfläche einer zweiten Schweißelektrode positioniert. Die erste Schweißelektrode beinhaltet einen Körper und eine Schweißfläche. Der Körper weist ein vorderes und ein gegenüberliegendes hinteres Ende auf. Die Schweißfläche ist am vorderen Ende des Körpers abgestützt und umfasst einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt und sich von einem Außenumfang der Schweißfläche nach oben und radial nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt erstreckt. Der zentrale Kuppelabschnitt weist eine Basiskuppelfläche und eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf. Jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt ragt von der Basiskuppelfläche nach außen vor und umschließt eine Mittelachse der Schweißfläche. Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Graten auf dem zentralen Kuppelabschnitt beinhaltet einen innersten ringförmigen Grat, welcher der Mittelachse der Schweißnaht am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Grat, der am weitesten von der Mittelachse der Schweißnaht entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Graten auf dem zentralen Kuppelabschnitt den Plandurchmesser von den innersten ringförmigen Graten bis zu den äußersten ringförmigen Graten erhöht. Darüber hinaus weist der äußerste ringförmige Steg am zentralen Kuppelabschnitt eine radiale innere Seitenfläche und eine radiale äußere Seitenfläche auf. Die radiale äußere Seitenfläche des äußersten ringförmigen Stegs auf dem zentralen Kuppelabschnitt erstreckt sich unterhalb der Basiskuppelfläche nach unten bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens der vorgenannten Ausführungsform wird die Schweißnaht der ersten Schweißelektrode gegen die erste Seite des Werkstückstapels gedrückt und die Schweißnaht der zweiten Schweißelektrode wird gegen die zweite Seite des Werkstückstapels stirnseitig mit der Schweißnaht der ersten Schweißelektrode an einer Schweißstelle gedrückt. In einem weiteren Schritt wird kurzzeitig ein elektrischer Strom zwischen der Schweißnaht der ersten Schweißelektrode und der Schweißnaht der zweiten Schweißelektrode und durch den Werkstückstapel geleitet, wobei ein geschmolzenes Aluminiumschweißbad innerhalb des Aluminiumwerkstücks gebildet wird, das eine angrenzende Passfläche des Stahlwerkstücks benetzt. Das geschmolzene Aluminiumschweißbad verfestigt sich schlussendlich während der Beendigung des elektrischen Stromflusses zu einer Schweißnaht.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung, die bei Widerstandspunktschweißungen verwendet werden kann;
2 ist eine partielle Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
3 ist eine vergrößerte partielle Querschnittsansicht der Schweißfläche der in 2 gezeigten Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
4 ist eine weitere vergrößerte partielle Querschnittsansicht der Schweißfläche der in 2 gezeigten Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
5 ist eine partielle Querschnittsansicht einer Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
6 ist eine partielle Querschnittsansicht einer Schweißelektrode gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
7 ist eine partielle Querschnittsansicht einer Schweißelektrode gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
8 ist eine vergrößerte partielle Querschnittsansicht der Schweißfläche der in 7 gezeigten Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
9 ist eine weitere vergrößerte partielle Querschnittsansicht der Schweißfläche der in 7 gezeigten Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
10 ist eine partielle Querschnittsansicht einer Schweißelektrode gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
11 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Werkstückstapels, der zwischen einem Satz gegenüberliegender Schweißelektroden zur Vorbereitung auf das Widerstandspunktschweißen angeordnet ist, wobei das Werkstückstapeln ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück sowie eine optionale organische Materialzwischenschicht, die zwischen den beiden Werkstücken angeordnet ist, beinhaltet, und wobei zumindest die Schweißelektrode, die für den gepressten Kontakt mit der Aluminiumwerkstückoberfläche des Stapels angeordnet ist, gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
12 ist eine Explosionsansicht des Werkstückstapels und von Teilen des Satzes von gegenüberliegenden Schweißelektroden in 11;
13 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Werkstückstapels, der zwischen einem Satz gegenüberliegender Schweißelektroden zur Vorbereitung auf das Widerstandspunktschweißen angeordnet ist, wobei zumindest die Schweißelektrode, die für den gepressten Kontakt mit der Aluminium-Werkstückoberfläche des Stapels angeordnet ist, gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist, und worin der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück zusammen mit einer zwischen den beiden Werkstücken angeordneten organischen Materialzwischenschicht beinhaltet, sowie ein zusätzliches Aluminiumwerkstück (d. h. zwei Aluminiumwerkstücke und ein Stahlwerkstück);
14 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Werkstückstapels, der zwischen einem Satz gegenüberliegender Schweißelektroden zur Vorbereitung auf das Widerstandspunktschweißen angeordnet ist, wobei zumindest die Schweißelektrode, die für den gepressten Kontakt mit der Aluminium-Werkstückoberfläche des Stapels angeordnet ist, gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist, und worin der Werkstückstapel ein Aluminiumwerkstück und ein benachbartes überlappendes Stahlwerkstück zusammen mit einer zwischen den beiden Werkstücken angeordneten organischen Materialzwischenschicht beinhaltet, sowie ein zusätzliches Stahlwerkstück (d. h. zwei Stahlwerkstücke und ein Aluminiumwerkstück);
15 ist eine allgemeine Ansicht des Werkstückstapels (im Querschnitt) und des Satzes von gegenüberliegenden Schweißelektroden beim Durchfließen eines elektrischen Stroms zwischen den ersten und zweiten Schweißflächen der Schweißelektroden und durch den Stapel, das auftritt, nachdem der Stapel zunächst zwischen den Schweißelektroden an der Schweißstelle eingespannt wird, und worin das Durchfließen elektrischen Stroms das Schmelzen des Aluminiumwerkstücks, das benachbart zum Stahlwerkstück liegt und die Bildung eines geschmolzenen Aluminiumschweißbades innerhalb des Aluminiumwerkstücks bewirkt;
16 ist eine allgemeine Ansicht des Werkstückstapels (im Querschnitt) und des Satzes der gegenüberliegenden ersten und zweiten Schweißelektroden, nachdem der elektrische Strom nach dem Durchfließen zwischen den ersten und zweiten Schweißflächen der Elektroden und durch den Stapel beendet ist, sodass das Schweißbad aus geschmolzenem Aluminium sich in eine Schweißnaht verfestigen kann, die das Paar von angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken verbindet; und
17 ist eine Mikrophotographie, die im Querschnitt eine Schweißnaht zwischen einem Aluminiumwerkstück und einem Stahlwerkstück darstellt und darüber hinaus einen Gelenkeffekt demonstriert, der durch die Praktiken der vorliegenden Offenbarung innerhalb des Aluminiumwerkstücks erzeugt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Derzeit ist eine Vielzahl von Widerstandspunktschweiß-Elektrodenkonstruktionen verfügbar. Ein Großteil dieser Elektroden ist für das Schweißen ähnlicher Metallwerkstücke ausgelegt, einschließlich beispielsweise von Stapeln aus zwei oder mehr Stahlwerkstücken oder von Stapeln aus zwei oder mehr Aluminiumwerkstücken. Diese bekannten Schweißelektroden verfügen nicht notwendigerweise über die Fähigkeit, Stapel von ungleichen Metallwerkstücken, wie beispielsweise Stapel, die ein Aluminiumwerkstück und ein angrenzendes Stahlwerkstück beinhalten, effektiv zu schweißen, während ein elektrischer Strom gemäß einem Schweißplan geleitet wird, der speziell für die genaue Kombination von ungleichen Metallwerkstücken entwickelt wurde, die in dem Stapel enthalten sind. Es wurde eine Schweißelektrodenkonstruktion und insbesondere eine Elektroden-Schweißflächenkonstruktion entwickelt und beschrieben, die erfolgreich am Widerstandspunktschweißen einer Vielzahl von Werkstückstapeln, unabhängig davon, ob diese ähnliche oder ungleiche Metallwerkstücke enthalten, mitwirken kann, im Allgemeinen und in Verbindung mit mehreren bevorzugten Ausführungsformen im Folgenden. Die Schweißelektrode kann beispielsweise beim Schweißen eines Stapels aus zwei oder mehr überlappenden Stahlwerkstücken, beim Schweißen eines Stapels aus zwei oder mehr überlappenden Aluminiumwerkstücken oder beim Schweißen eines Stapels aus einem Aluminiumwerkstück und einem angrenzenden überlappenden Stahlwerkstück in Kontakt mit einem Aluminiumwerkstück oder einem Stahlwerkstück gebracht werden.
Mehrere Ausführungsformen der offenbarten Schweißelektrode sind in den 1-10 dargestellt. In jeder der dargestellten Ausführungsformen beinhaltet die Schweißelektrode eine Schweißfläche, die einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt umfasst, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt. Der zentrale Kuppelabschnitt beinhaltet eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Graten. Einer dieser ringförmigen Grate, der als der äußerste ringförmige Grat am zentralen Kuppelabschnitt bezeichnet wird, beinhaltet eine radiale Innenfläche und eine radiale Außenfläche. Die radiale Außenfläche des äußersten ringförmigen Grats auf dem zentralen Kuppelabschnitt erstreckt sich bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche und definiert die Grenze zwischen dem mittleren Abschnitt und dem Schulterabschnitt der Schweißfläche. Die Höhe der radialen Außenfläche des äußersten ringförmigen Grats am zentralen Kuppelabschnitt ist größer als die Höhe der radialen Innenfläche. Auf diese Weise, und wie im Folgenden näher erläutert, ermöglicht die Schweißfläche eine einzigartige Wärmebehandlung in einem Aluminiumwerkstück, wenn sie während des Schweißens eines Werkstückstapels mit einem Aluminiumwerkstück ineinandergreift, das angrenzende Aluminium- und Stahlwerkstücke beinhaltet. Die Wärmebehandlung begrenzt die Aushärtung der Wärmeeinflusszone (WEZ) - insbesondere bei nachfolgenden Einbrennvorgängen - welche die hergestellte Schweißnaht umgibt und einen „Gelenkeffekt“ erzeugt, der eingeleitete Risse in den weicheren Abschnitt der Schweißlinse und weg von der spröden intermetallischen Schicht ablenkt, wenn der geschweißte Stapel unter Beanspruchung steht.
Die Verwendung der offenbarten Schweißelektrode ist nicht ausschließlich darauf beschränkt, mit einem Aluminiumwerkstück eines Werkstückstapels, das benachbarte Aluminium- und Stahlwerkstücke beinhaltet, ineinanderzugreifen. Um dies zu gewährleisten, kann bei Bedarf auch die gleiche Schweißelektrodenkonstruktion verwendet werden, um das Stahlwerkstück eines Werkstückstapels, das angrenzende Aluminium- und Stahlwerkstücke beinhaltet, einzugreifen, wodurch die gleiche Schweißflächenkonstruktion gegen gegenüberliegende Seiten des Stapels in stirnseitiger Ausrichtung gegeneinander gedrückt wird. In diesem Szenario erleichtert die Schweißnaht in gepresstem Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück die vorstehend erwähnte Wärmebehandlung im Aluminiumwerkstück, während gleichzeitig eine eventuell vorhandene Oberflächenoxidschicht auf dem Aluminiumwerkstück beansprucht und mechanisch abgetragen wird. Gleichzeitig bewirkt die Schweißfläche in gepresstem Kontakt mit dem Stahlwerkstück, dass der elektrische Strom, der zwischen den Schweißflächen und durch den Werkstückstapel geleitet wird, einen konischen Fließweg annimmt, bei dem die Stromdichte von der Schweißfläche in Kontakt mit dem Stahlwerkstück zu der Schweißfläche in Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück abnimmt. Die höhere Konzentration des elektrischen Stroms im Stahlwerkstück wiederum trägt dazu bei, Schweißfehler in Richtung der Mitte der Schweißverbindung anzutreiben und zu verdichten, wobei sie weniger anfällig für eine Beeinträchtigung der Festigkeit der Verbindung sind. Darüber hinaus kann die offenbarte Schweißelektrode bei Stapeln eingesetzt werden, die zwei oder mehr Stahlwerkstücke oder zwei oder mehr Aluminiumwerkstücke beinhalten, da die Schweißflächenkonstruktion das Schweißen beider Arten von Stapeln tolerieren kann.
Unter Bezugnahme nun auf die 1-4 ist eine erste Ausführungsform der offenbarten Schweißelektrode dargestellt. Die hier dargestellte Schweißelektrode wird durch die Referenznummer 10 bezeichnet. Die Schweißelektrode 10 beinhaltet einen Elektrodenkörper 12 und eine Schweißfläche 14. Der vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Elektrodenkörper 12 weist ein vorderes Ende 16 auf, das die Schweißnaht 14 vorgibt und trägt, und ein hinteres Ende 18, das die Montage der Elektrode 10 an einer Schweißzange erleichtert. Das vordere Ende 16 des Elektrodenkörpers 12 weist den Umfang 161 und das hintere Ende 18 weist den Umfang 181 auf. Ein Durchmesser 163 des Elektrodenkörpers 12 am Umfang 161 des vorderen Endes 16 liegt vorzugsweise im Bereich von 12 mm bis 22 mm oder, genauer gesagt, im Bereich von 16 mm bis 20 mm, und ein Durchmesser 183 des Elektrodenkörpers 12 am Umfang 181 des hinteren Endes 18 kann mit dem Durchmesser 161 am vorderen Ende 16 identisch sein, insbesondere wenn der Elektrodenkörper 12 zylindrisch ausgebildet ist. Darüber hinaus definiert das hintere Ende 18 des Elektrodenkörpers 12, wie in 1 allgemein dargestellt, eine Öffnung 20 zu einer inneren Aussparung 22 zum Einsetzen und Befestigen einer Elektrodenbefestigungsvorrichtung, wie beispielsweise eines Schaftadapters (nicht dargestellt), die die Punktschweißelektrode 10 an einem Zangenarm der Schweißzange befestigen kann und auch einen Kühlmittelstrom (z. B. Wasser) durch die innere Aussparung 22 ermöglicht, um die Temperatur der Elektrode 10 während des Punktschweißvorgangs zu regeln.
Die Schweißfläche 14 ist der Abschnitt der Schweißelektrode 10, der beim Punktschweißen eine Seite eines Werkstückstapels unter Druck kontaktiert und elektrischen Strom durch den Stapel in Verbindung mit der Schweißfläche einer gegenüberliegenden und stirnseitig ausgerichteten Schweißelektrode leitet, die die gegenüberliegende Seite des Stapels unter Druck kontaktiert. Die Schweißfläche 14 kann vom vorderen Ende 16 des Elektrodenkörpers 12 durch eine Übergangsnase 24 nach oben verschoben werden oder sie kann direkt vom vorderen Ende 16 übergehen, um eine so genannte „Vollflächenelektrode“ zu bilden. Bei Vorhandensein der Übergangsnase 24 kann die Schweißfläche 14 vom vorderen Ende 16 um einen Abstand 26 nach oben verschoben werden, der vorzugsweise zwischen 2 mm und 10 mm liegt. Die Übergangsnase 24 kann kegelstumpfförmig oder kugelförmig sein, obwohl auch andere Formen möglich sind. Wenn die Nase 24 kegelstumpfförmig ist, liegt der Trunkierungswinkel 241 vorzugsweise zwischen 30° und 60° von einer vertikalen Verlängerung 28 des Umfangs 161 des vorderen Endes 16 des Elektrodenkörpers 12. Wenn die Nase 24 kugelförmig gekürzt ist, liegt der Krümmungsradius vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Schweißfläche 14 einen zentralen Kuppelabschnitt 30 und einen Schulterabschnitt 32. Der zentrale Kuppelabschnitt 30 ist um eine Mittelachse 34 der Schweißfläche 14 zentriert, und der Schulterabschnitt 32 umschließt den zentralen Kuppelabschnitt 30 und erstreckt sich von einem Außenumfang 141 der Schweißfläche 14 nach oben und nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt 30. Der Außenumfang der Schweißfläche 141 weist einen Durchmesser 143 auf, der vorzugsweise von 6 mm bis 20 mm oder genauer von 8 mm bis 15 mm reicht, und kann in Bezug auf den Umfang 161 des vorderen Endes 16 des Elektrodenkörpers 12 auf verschiedene Weise ausgerichtet sein. Wie hier in den 1-2 dargestellt, kann beispielsweise der Außenumfang 141 der Schweißfläche 14 parallel zum Umfang 161 des vorderen Endes 16 des Elektrodenkörpers 12 sein, wobei die zentrale Schweißflächenachse 34 parallel zu und kollinear zu einer Mittelachse 38 des Elektrodenkörpers 12 ausgerichtet sein kann. In weiteren Ausführungsformen kann jedoch der Außenumfang 141 der Schweißnaht 14 gegenüber dem Umfang 161 des Elektrodenkörpers 12 an seinem vorderen Ende 16 geneigt sein, wobei in diesem Fall die mittlere Schweißnahtachse 34 und die Mittelachse 38 des Elektrodenkörpers 12 gegeneinander abgewinkelt sind. Die letztgenannte Konfiguration der Schweißelektrode 10 kann verwendet werden, um den Zugang zu einer Schweißstelle des Werkstückstapels zu erleichtern, die ansonsten schwer zugänglich wäre. In noch weiteren Ausführungsformen kann der Elektrodenkörper 12 in Form einer Einzelbiegung oder einer Doppelbiegung ausgeführt sein.
Der zentrale Kuppelabschnitt 30 weist eine Basiskuppelfläche 36 und eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 38 auf. Die Basiskuppelfläche 36 weist ein konvexes Profil auf. So kann beispielsweise in einer bestimmten Implementierung die Basiskuppelfläche 36 kugelförmig geformt sein (d. h. sie ist ein Abschnitt einer Kugel) und einen Krümmungsradius aufweisen, der im Bereich von 10 mm bis 100 mm oder, genauer gesagt, von 20 mm bis 50 mm liegt. Jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 38 ragt von der Basiskuppelfläche 36 nach außen vor und weist einen geschlossenen Umfang auf, der die Mittelachse 34 der Schweißfläche 14 umgibt. In diesem Zusammenhang wird die Reihe der radial beabstandeten ringförmigen Stege 38 vorzugsweise um die Mittelachse 34 der Schweißfläche 14 zentriert und konzentrisch umschlossen. Der Begriff „geschlossener Umfang“, wie er in Verbindung mit den radial beabstandeten ringförmigen Stegen 38 verwendet wird, bedeutet, dass der Steg 38 aus der Draufsicht in der Planperspektive kontinuierlich gekrümmt ist, sodass sein Umfang nicht durch die Basiskuppelfläche 36 unterbrochen wird.
Größe, Form und Abstand der radial beabstandeten ringförmigen Stege 38 können variieren. Jeder der ringförmigen Stege 38 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30 weist eine Steghöhe von 381 und eine Steghöhe von 383 auf, wie in 3 am besten dargestellt. Die Steghöhe 381 jedes Stegs 38 ist der maximale Abstand, bis zu dem der Steg 38 über die Basiskuppelfläche 36 hinausragt, und die Stegbreite 383 jedes Stegs 38 ist die radiale Dicke des Stegs 38 entlang der Basiskuppelfläche 36. Die Steghöhe 381 jedes der ringförmigen Stege 38 beträgt vorzugsweise 20 µm bis 500 µm oder genauer 50 µm bis 300 µm. Die Stegbreite 383 jedes der ringförmigen Stege 38 beträgt vorzugsweise 100 µm bis 2000 µm oder genauer 200 µm bis 1000 µm. Hinsichtlich des Abstands der radial beabstandeten ringförmigen Stege 38 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30 ist jeder der ringförmigen Stege 38 vorzugsweise radial von jedem seiner benachbarten Stege 38 um einen Abstand im Bereich von 100 µm bis 2500 µm oder, genauer gesagt, von 400 µm bis 1600 µm, gemessen zwischen den Mittelpunkten der Stege 38, beabstandet. Das Querschnittsprofil jeder der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 38 kann nicht scharfkantig sein und eine abgerundete (wie dargestellt) oder flache Oberseite aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann jeder der radial beabstandeten ringförmigen Stege im Querschnitt halbkreisförmig, verkürzt halbkreisförmig, dreieckig oder verkürzt dreieckig sein.
Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 38 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30 beinhaltet einen innersten ringförmigen Steg 38', welcher der Mittelachse 34 der Schweißfläche 14 am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg 38", der am weitesten von der Mittelachse 34 der Schweißfläche 14 entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 38 den Plandurchmesser von den innersten ringförmigen Stegen 38' bis zu den äußersten ringförmigen Stegen 38" erhöht. Der innerste ringförmige Steg 38' umschließt einen inneren Mittelabschnitt 36' der Basiskuppelfläche 36 und jedes Paar ringförmiger Stege 38 vom innersten ringförmigen Steg 38' bis zum äußersten ringförmigen Steg 38" ist durch einen dazwischen liegenden Abschnitt 36" der Basiskuppelfläche 36 getrennt. Die Basiskuppelfläche 36 erstreckt sich nicht radial über den äußersten ringförmigen Steg 38". Der innere Mittelabschnitt 36' der Basiskuppelflächen 36 kann, wie dargestellt, eine konvexe Kuppelkrümmung aufweisen, oder alternativ kann er flach sein, oder er kann entweder einen zentralen Vorsprung, wie beispielsweise ein Plateau oder eine kugelförmige Kugel, die vom inneren Mittelabschnitt 36' der Basiskuppelflächen 36 nach außen vorsteht, oder einen zentralen Einsatz, wie eine zylindrische, konische oder kugelförmige Vertiefung, die in den inneren Mittelabschnitt 36' der Basiskuppelflächenfläche 36 eindringt, umgeben. Ein Plandurchmesser des innersten ringförmigen Steges 38', gemessen am Mittelpunkt des innersten ringförmigen Steges 38', liegt vorzugsweise in einem Bereich von 3 mm bis 12 mm oder, genauer gesagt, von 5 mm bis 10 mm. In vielen Fällen sind auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30 vorzugsweise zwei bis fünf ringförmige Stege 38 vorhanden, wobei drei bis fünf ringförmige Stege 38 besonders funktionell sind.
Zusätzlich und wie in 4 am besten dargestellt, weist der äußerste ringförmige Steg 38" eine radiale innere Seitenfläche 40 und eine radiale äußere Seitenfläche 42 auf. Die radiale innere Seitenfläche 40 des äußersten ringförmigen Steges 38' ragt von der Basiskuppelflächen 36 nach oben und insbesondere der dazwischenliegende Abschnitt 36" der Basiskuppelflächen 36, der den äußersten ringförmigen Steg 38" von dem radial nach innen benachbarten ringförmigen Steg 38 trennt. Die radiale äußere Seitenfläche 42 des äußersten ringförmigen Steges 38''' hingegen erstreckt sich unterhalb der Basiskuppelfläche 36 und insbesondere unterhalb des angrenzenden Zwischenabschnitts 36" der Basiskuppelfläche 36, die den äußersten ringförmigen Steg 38" und seinen radial nach innen benachbarten ringförmigen Steg 38 zum Schulterabschnitt 32 der Schweißfläche 14 trennt. Eine Höhe 421 der radialen äußeren Seitenfläche 42 (gemessen senkrecht zur benachbarten Basisschulterfläche) kann somit größer sein als eine Höhe 401 der radialen inneren Seitenfläche 40 (gemessen senkrecht zur benachbarten Basiskuppelfläche). So kann beispielsweise die Höhe 421 der radialen äußeren Seitenfläche 42 in einem Bereich von 120 µm bis 600 µm oder, genauer gesagt, von 150 µm bis 400 µm liegen, während die Höhe 401 der radialen inneren Seitenfläche 40 in einem Bereich von 20 µm bis 400 µm oder, genauer gesagt, von 50 µm bis 250 µm liegen kann. Die Höhe 401 der radialen inneren Seitenfläche 40 kann gleich der Steghöhe 381 des äußersten Steges 38" in Abhängigkeit von der Querschnittsform des äußersten Steges 38" sein oder auch nicht. Zusätzlich kann die radiale äußere Seitenfläche 42 nach außen aufgeweitet werden und einen Winkel 423 (2) mit der Mittelachse 34 der Schweißfläche 14 bilden, der in einem Bereich von 10° bis 60° liegt.
Die radiale äußere Seitenfläche 42 des äußersten ringförmigen Steges 38" bildet den Umfang des zentralen Kuppelabschnitts 30. Der zentrale Kuppelabschnitt 30 weist an seinem Umfang einen Plandurchmesser 301 auf, der in einem Bereich von 3 mm bis 12 mm oder, genauer gesagt, von 5 mm bis 10 mm liegen kann. Wie im Folgenden näher erläutert wird, verleiht die Struktur des zentralen Kuppelabschnitts 30- und insbesondere die Tatsache, dass sich die radiale äußere Seitenfläche 42 des äußersten ringförmigen Stegs 38" unterhalb der Basiskuppelfläche 36 bis zum Schulterabschnitt 32 erstreckt, der Schweißelektrode 10 die Möglichkeit, erfolgreich am Widerstandspunktschweißen von Werkstückstapeln mitzuwirken, die verschiedene Kombinationen von Metallwerkstücken beinhalten. Die Schweißfläche 14 kann unter Druck gegen ein Aluminiumwerkstück gedrückt werden, unabhängig davon, ob dieses Aluminiumwerkstück ein oder mehrere andere Aluminiumwerkstücke überlappt oder ob es sich überlappt und angrenzend an ein Stahlwerkstück liegt. Die Schweißfläche 14 kann auch unter Druck gegen ein Stahlwerkstück gedrückt werden, das sich überlappt und angrenzend an ein Aluminiumwerkstück liegt, wobei eine Schweißfläche mit gleicher oder unterschiedlicher Konstruktion auf der gegenüberliegenden Seite des Stapels gegen das Aluminiumwerkstück gedrückt wird.
Weiterhin unter Bezugnahme auf die 1-4 beinhaltet der Schulterabschnitt 32 der Schweißfläche 14 eine Basisschulterfläche 44, die vom Außenumfang 141 der Schweißfläche 14 zum zentralen Kuppelabschnitt 30 hin gekrümmt oder nach oben abgewinkelt ist und unterhalb der Basiskuppelfläche 36 des zentralen Kuppelabschnitts 30 gedrückt wird. Die Basisschulterfläche 44 wird unter die Basiskuppelfläche 36 gedrückt, indem sie nach unten aus der Ausrichtung mit der Basiskuppelfläche 36 über einen Abstand von mindestens einem Millimeter radial außerhalb des zentralen Kuppelabschnitts 30 verschoben wird. Die Basisschulterfläche 44 kann um einen Abstand 46 (4) in einem Bereich von 0,05 mm bis 1,0 mm oder, genauer gesagt, von 0,1 mm bis 0,5 mm unter die Basiskuppelfläche 36 des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt werden. Der Schulterabschnitt 32 beinhaltet weiterhin ein oder mehrere ringförmige Oberflächenmerkmale 48. Jedes der einen oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale 48 dringt nach innen in die Schulterbasisfläche 44 ein und weist einen geschlossenen Umfang auf, der den zentralen Kuppelabschnitt 30 umgibt. Der Begriff „geschlossener Umfang“, wie er in Verbindung mit den ringförmigen Oberflächenmerkmalen 48 verwendet wird, bedeutet, dass das Oberflächenmerkmal 48 aus der Draufsicht in der Planperspektive kontinuierlich gekrümmt ist, sodass sein Umfang nicht durch die Schulterbasisfläche 44 unterbrochen wird. Die eine oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale 48 umgeben vorzugsweise konzentrisch den zentralen Kuppelabschnitt 30.
In der hier dargestellten Ausführungsform der Schweißelektrode 10 und wie in 2 am besten dargestellt, kann die Basisschulterfläche 44 eben und nach oben abgewinkelt sein. So kann beispielsweise in einer bestimmten Implementierung die Basisschulterfläche 44 gegenüber einer horizontalen Ebene 50, die sich durch den Außenumfang 141 der Schweißfläche 14 in einem Winkel von 3° bis 20° oder, genauer, von 5° bis 10° erstreckt, nach oben geneigt sein. In einer weiteren Implementierung kann die Basisschulterfläche 44 kugelförmig abgerundet sein mit einem Krümmungsradius im Bereich von 10 mm bis 100 mm oder, genauer, von 20 mm bis 50 mm. Die eine oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale 48 können einer oder mehrere ringförmige Stege 52 sein. Jeder der einen oder mehreren ringförmigen Stege 52 auf dem Schulterabschnitt 32 ragt von der Basisschulterfläche 44 nach außen vor und weist einen geschlossenen Umfang auf, der den zentralen Kuppelabschnitt 30 der Schweißfläche 14 umgibt. Darüber hinaus kann das Querschnittsprofil jedes der einen oder mehreren ringförmigen Stege 52 keine scharfen Ecken aufweisen und eine abgerundete (wie dargestellt) oder flache Oberseite aufweisen. In vielen Fällen sind vorzugsweise ein bis sechs Stege 52 am Schulterabschnitt 32 vorhanden, wobei zwei bis fünf Stege 52 besonders funktionell sind. In einer weiteren Ausführungsform, und wie im Folgenden näher erläutert, können die einen oder mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale 48 eine oder mehrere ringförmige Nuten sein.
Größe, Form und Abstand des/der ringförmigen Stegs(e) 52 können ähnlich wie die der radial beabstandeten ringförmigen Stege 38 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30 variieren. Tatsächlich weist, wie in 3 am besten dargestellt, jeder der ringförmigen Stege 52 auf dem Schulterabschnitt 32 eine Steghöhe 521 und eine Stegbreite 523 auf. Die Steghöhe 521 jedes Stegs 52 ist der maximale Abstand, bis zu dem der Steg 52 über die Basisschulterfläche 44 hinausragt, und die Stegbreite 523 jedes Stegs 52 ist die radiale Dicke des Stegs 52 entlang der Basisschulterfläche 44. Die Steghöhe 521 jedes der ringförmigen Stege 52 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 µm bis 500 µm oder genauer 50 µm bis 300 µm. Die Stegbreite 523 jedes der ringförmigen Stege 52 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 µm bis 2000 µm oder genauer 200 µm bis 1000 µm. Hinsichtlich des Abstands der einen oder mehreren ringförmigen Stege 52 auf dem Schulterabschnitt 32 ist jeder der ringförmigen Stege 52 vorzugsweise radial von jedem seiner benachbarten Stege 52 (wenn mehr als ein Steg 52 vorhanden ist) um einen Abstand im Bereich von 100 µm bis 2500 µm oder, genauer, von 400 µm bis 1600 µm, gemessen zwischen den Mittelpunkten der Stege 52, beabstandet.
In einer bestimmten Ausführungsform, wie in den 2-3 dargestellt, wird eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 52 vorzugsweise um den zentralen Kuppelabschnitt 30 der Schweißfläche 14 zentriert und konzentrisch umschlossen. Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 52 auf dem Schulterabschnitt 32, die zwischen zwei und sechs Stege 52 aufweisen können, beinhaltet einen innersten ringförmigen Steg 52', der dem zentralen Kuppelabschnitt 30 am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg 52'', der am weitesten vom zentralen Kuppelabschnitt 30 entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stege 52 den Plandurchmesser von den innersten ringförmigen Stegen 52' zu den äußersten ringförmigen Stegen 52" erhöht. Die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen 52 kann, wie hier dargestellt, zwischen einem radialen innenliegenden Abschnitt 44' und einem radialen außenliegenden Abschnitt 44'' der Basisschulterfläche 44 positioniert werden. Der radiale innenliegende Abschnitt 44' liegt radial nach innen des innersten ringförmigen Steges 52' und ist angrenzend und anliegend an die radiale äußere Seitenfläche 42 des äußersten ringförmigen Steges 38'' des zentralen Kuppelabschnitts 30 (4), und der radiale außenliegende Abschnitt 44'' liegt radial nach außen des äußersten ringförmigen Steges 52" und erstreckt sich von dem Außenumfang 141 der Schweißfläche 14 radial nach innen zu dem äußersten ringförmigen Steg 52''. Jedes Paar von ringförmigen Stegen 52 vom innersten ringförmigen Steg 52' bis zum äußersten ringförmigen Steg 52'' ist durch einen dazwischen liegenden Abschnitt 44''' der Basisschulterfläche 44 getrennt.
Zumindest die Schweißfläche 14 der Schweißelektrode 10, vorzugsweise die gesamte Schweißelektrode 10 einschließlich des Elektrodenkörpers 12, die Schweißfläche 14 und die Übergangsnase 24, falls vorhanden, ist aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 45 % IACS und einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 180 W/mK aufgebaut. Einige Materialklassen, die unter dieses Kriterium fallen, beinhalten eine Kupferlegierung, ein dispersionsverstärktes Kupfermaterial und ein feuerfestes Material, das mindestens 35 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% eines feuerfesten Metalls beinhaltet. Konkrete Beispiele für geeignete Kupferlegierungen beinhalten eine Kupfer-Zirkonium (CuZr)-Legierung C15000, eine Kupfer-Chrom (CuCr)-Legierung C18200 und eine Kupfer-Chrom-Zirkonium (CuCrZr)-Legierung C18150. Ein konkretes Beispiel für ein dispersionsverstärktes Kupfermaterial beinhaltet Kupfer mit einer Dispersion von Aluminiumoxid. Und ein konkretes Beispiel für ein feuerfestes Material beinhaltet einen Wolfram-Kupfer-Metallverbund, der zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% einer in einer Kupfermatrix dispergierten teilchenförmigen Wolframphase enthält, die den Rest (zwischen 50 Gew.-% und 10 Gew.-%) des Verbunds bildet. Andere Materialien, die hier nicht ausdrücklich aufgeführt sind und die die jeweiligen elektrischen und thermischen Leitfähigkeitsstandards erfüllen, können natürlich ebenfalls verwendet werden.
In der in den 1-4 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die radiale äußere Seitenfläche 42 des äußersten ringförmigen Steges 38' auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30 nach unten unter der Basiskuppelfläche 36 bis zum radialen inneren Abschnitt 44' der Basisschulterfläche 44, der unterhalb der Basiskuppelfläche 36 gedrückt wird. Variationen der in den 1-4 dargestellten Schweißelektrode 10 sind durchaus möglich. So kann beispielsweise in einer alternativen Ausführungsform nur der in den 1-4 dargestellte innerste ringförmige Steg 52' auf dem Schulterabschnitt 32 vorhanden sein. Weitere Ausführungsformen sind ebenfalls vorgesehen, einschließlich der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der in 5, 6 und 7-9 dargestellten offenbarten Schweißelektrode. Die in 5, 6 und den 7-9 veranschaulichten Schweißelektroden werden jeweils durch die Referenznummern 110, 210 bzw. 310 bezeichnet. Diese Schweißelektroden 110, 210, 310 sind in vielerlei Hinsicht ähnlich wie die in den 1-4 dargestellte Schweißelektrode 10. In den 5-9 werden mit Referenznummern, die der zuvor beschriebenen Schweißelektrode 10 entsprechen, entsprechende strukturelle Merkmale bezeichnet. Die Verwendung entsprechender Referenznummern soll die frühere Behandlung dieser strukturellen Merkmale so einbeziehen, als ob sie hierin vollständig wiedergegeben würden, wie sie durch eine etwaige zusätzliche Beschreibung geändert worden wären. Daher werden bei der Betrachtung der 5-9 nur die materialstrukturellen Unterschiede der Schweißelektroden 110, 210, 310 im Vergleich zu der in den 1-4 dargestellten und vorstehend beschriebenen Schweißelektrode 10 erläutert.
Die Schweißelektrode 110 in 5 beinhaltet einen äußersten ringförmigen Steg 138" auf dem zentralen Kuppelabschnitt 130, der anders geformt ist als die anderen ringförmigen Stege 138 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 130. Insbesondere ist der äußerste ringförmige Steg 138''' an der Basiskuppelfläche 136 breiter. Der äußerste ringförmige Steg 138" weist eine Breite 1381'' auf, die vorzugsweise zwischen 250 µm und 2250 µm oder, genauer, zwischen 500 µm und 1500 µm liegt. Durch das größere Breitenmaß auf dem äußersten ringförmigen Steg 138" des zentralen Kuppelabschnitts 130 erzeugt die Schweißfläche 114 eine breitere Vertiefung im Aluminiumwerkstück, die den Gelenkeffekt über eine breitere radiale Position erstrecken kann. Hinsichtlich der in 6 abgebildeten Schweißelektrode 210 weist sie einen Schulterabschnitt 232 auf, der eine Basisschulterfläche 244 beinhaltet, die frei von vorstehenden ringförmigen Stegen und eindringenden ringförmigen Nuten ist und sich vom Außenumfang 2141 der Schweißfläche 214 zur radialen äußeren Seitenfläche 242 des äußersten ringförmigen Steges 238" auf dem zentralen Kuppelabschnitt 230 erstreckt. Das heißt, die Basisschulterfläche 244 wird unter die Basiskuppelfläche 236 des zentralen Kuppelabschnitts 230 gedrückt, beinhaltet jedoch keine der vorstehend in Verbindung mit den 1-4 beschriebenen ringförmigen Oberflächenmerkmale 48. Die Basisschulterfläche 244 kann vom Außenumfang 2141 der Schweißfläche 214 zur radialen äußeren Seitenfläche 242 des äußersten ringförmigen Steges 238" auf dem zentralen Kuppelabschnitt 230 nach oben gekrümmt oder abgewinkelt sein. Das Fehlen der ringförmigen Oberflächenmerkmale 48 auf dem Schulterabschnitt 232 bietet eine reduzierte Fähigkeit, Wärme auf die Schweißelektrode 110 zu übertragen, wodurch das Aluminium an dieser Stelle heißer wird und ein weicheres HAZ erzeugt wird, das den Gelenkeffekt verbessert.
In der in den 7-9 dargestellten Schweißelektrode beinhaltet der Schulterabschnitt 332 der Schweißfläche 314 eine Basisschulterfläche 344, die wie bisher unter die Basiskuppelfläche 336 des zentralen Kuppelabschnitts 330 gedrückt wird, und ferner eine oder mehrere ringförmige Nuten 354 als ein oder mehrere ringförmige Oberflächenmerkmale 48. Die Basisschulterfläche 344 kann vom Außenumfang 3141 der Schweißfläche 314 in Richtung des zentralen Kuppelabschnitts 330 gekrümmt oder nach oben abgewinkelt sein. Jede der einen oder mehreren Ringnuten 354 auf dem Schulterabschnitt 332 ragt nach innen in die Basisschulterfläche 344 hinein und weist einen geschlossenen Umfang auf, der den zentralen Kuppelabschnitt 330 der Schweißfläche 314 umgibt. Die eine oder die mehreren Ringnuten 354 können eine Reihe von radial beabstandeten Ringnuten 354 sein, die in ihrer Anordnung der Reihe von radial beabstandeten Ringnuten ähnlich sind, wie in den 1-4 dargestellt. Zusätzlich kann das Querschnittsprofil jeder der einen oder mehreren Ringnuten 354 keine scharfen Ecken aufweisen und eine abgerundete (wie dargestellt) oder flache Bodenfläche aufweisen.
Größe, Form und Abstand der einen oder mehreren Ringnuten 354 können sich ähnlich wie die der einen oder mehreren Ringnuten 52 am Schulterabschnitt 32 der in den 1-4 dargestellten Schweißelektrode 10 unterscheiden. Tatsächlich weist jede der Ringnuten 354 am Schulterabschnitt 332 eine Nuttiefe 3541 und eine Nutbreite 3543 auf, wie in 8 am besten dargestellt. Die Nuttiefe 3541 jeder Nut 354 ist der maximale Abstand, bis zu dem die Nut 354 unter die Basisschulterfläche 344 absinkt, und die Nutbreite 3543 jeder Nut 354 ist die radiale Dicke der Nut 354 entlang der Basisschulterfläche 344 (d. h. über den Eintritt der Nut 354). Die Nuthöhe 3541 jeder der Ringnuten 354 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 µm bis 500 µm oder genauer 50 µm bis 300 µm. Die Nutbreite 3543 jeder der Ringnuten 354 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 µm bis 2000 µm oder genauer 200 µm bis 1000 µm. Hinsichtlich des Abstands der Ringnuten 354 auf dem Schulterabschnitt 332 ist jede der Ringnuten 354 vorzugsweise radial von jeder ihrer benachbarten Nuten 354 (wenn mehr als eine Nut 354 vorhanden ist) um einen Abstand beabstandet, der im Bereich von 100 µm bis 2500 µm oder, genauer, von 400 µm bis 1600 µm liegt, gemessen zwischen den Mittelpunkten der Nuten 354.
In einer bestimmten Ausführungsform, wie hier in den 7-9 dargestellt, wird eine Reihe von radial beabstandeten Ringnuten 354 vorzugsweise um den zentralen Kuppelabschnitt 30 der Schweißfläche 14 zentriert und konzentrisch umschlossen. Die Reihe der radial beabstandeten Ringnuten 354 auf dem Schulterabschnitt 332 beinhaltet eine innerste Ringnut 354', die dem zentralen Kuppelabschnitt 330 am nächsten liegt, und eine äußerste Ringnut 354', die am weitesten vom zentralen Kuppelabschnitt 330 entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten 354 den Plandurchmesser von der innersten Ringnut 354' bis zur äußersten Ringnut 354'' erhöht. Insbesondere ist die innerste Ringnut 354' angrenzend an den zentralen Kuppelabschnitt 330 und teilweise durch die radiale äußere Seitenfläche 342 der äußersten Ringnut 338'' des zentralen Kuppelabschnitts 330 definiert, wie in den 8-9 dargestellt. Der äußerste ringförmige Steg 354'' liegt angrenzend an einen radialen außenliegenden Abschnitt 344" der Basisschulterfläche 344, der sich radial nach innen vom Außenumfang 3141 der Schweißfläche 314 bis zur äußersten Ringnut 354'' des Schulterabschnitts 332 erstreckt. Jedes Paar von Ringnuten 354 von der innersten Ringnut 354' bis zur äußersten Ringnut 354'' ist durch einen dazwischen liegenden Abschnitt 344''' der Basisschulterfläche 344 getrennt. In vielen Fällen sind nach wie vor vorzugsweise zwei bis sechs Ringnuten 354 am Schulterabschnitt 332 vorhanden, wobei zwei bis fünf Ringnuten 354 besonders funktionell sind. In einer Variation dieser Ausführungsform kann nur die innerste Ringnut 354' angrenzend an den zentralen Kuppelabschnitt 330 auf dem Schulterabschnitt 332 vorhanden sein.
In der in den 7-9 dargestellten Schweißelektrode 310 und wie am besten in den 8-9 dargestellt, erstreckt sich die radiale äußere Seitenfläche 342 des äußersten ringförmigen Steges 338'' auf dem zentralen Kuppelabschnitt 330 nach unten unter die Basiskuppelfläche 336 und definiert teilweise die innerste Ringnut 354', die angrenzend an und um den zentralen Kuppelabschnitt 330 angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Höhe 3421 der radialen äußeren Seitenfläche 342 des äußersten ringförmigen Steges 338'' des zentralen Kuppelabschnitts 330 noch weiter über die Höhe 3401 der radialen inneren Seitenfläche 340 des äußersten ringförmigen Steges 338'' erhöht werden, ohne die Steghöhe 381 des äußersten ringförmigen Steges 338'' des zentralen Kuppelabschnitts 330 erhöhen zu müssen. Dies liegt daran, dass sich die radiale äußere Seitenfläche 342 des äußersten ringförmigen Steges 338'' des zentralen Kuppelabschnitts 330 wie dargestellt unterhalb der Basiskuppelfläche 336 des zentralen Kuppelabschnitts 30 und auch unterhalb der Basisschulterfläche 344 des Schulterabschnitts 332 erstreckt, die in dieser Ausführungsform auch unterhalb der Basiskuppelfläche 336 des zentralen Kuppelabschnitts 30 gedrückt wird. Darüber hinaus kann die radiale äußere Seitenfläche 342 des äußersten ringförmigen Steges 338'' des zentralen Kuppelabschnitts 330 im Vergleich zu den bisherigen Schweißelektroden 10, 110, 210 stärker nach außen aufgeweitet werden, wenn sie teilweise eine Ringnut 354 im Schulterabschnitt 332 definiert. So kann beispielsweise die radiale äußere Seitenfläche 342 des äußersten ringförmigen Steges 338'' des zentralen Kuppelabschnitts 330 nach außen aufgeweitet werden und mit der Mittelachse 334 der Schweißfläche 314 einen Winkel 4423 bilden, der in einem Bereich von 10° bis 60° liegt.
Eine weitere Ausführungsform der offenbarten Schweißelektrode ist in 10 abgebildet. Die in 10 dargestellte Schweißelektrode wird durch die Referenznummer 410 bezeichnet und ist in vielerlei Hinsicht der in 7-9 dargestellten Schweißelektrode 310 ähnlich. In 10 werden mit Referenznummern, die der zuvor beschriebenen Schweißelektrode 310 entsprechen, entsprechende strukturelle Merkmale bezeichnet. Die Verwendung entsprechender Referenznummern soll die frühere Behandlung dieser strukturellen Merkmale so einbeziehen, als ob sie hierin vollständig wiedergegeben würden, wie sie durch eine etwaige zusätzliche Beschreibung geändert worden wären. Daher werden bei der Betrachtung von 10 nur die materialstrukturellen Unterschiede der Schweißelektroden 410 im Vergleich zu der in 7 dargestellten und vorstehend beschriebenen Schweißelektrode 310 erläutert. Wendet man sich nun 10 zu, so beinhaltet die Schweißelektrode 410 eine oder mehrere Ringnuten 454 auf dem Schulterabschnitt 432 in Form einer Reihe von derartigen Nuten 454, wobei jede der Ringnuten 454 nach innen in die Schulterbasisfläche 444 eindringt und einen geschlossenen Umfang aufweist, der den zentralen Kuppelabschnitt 430 der Schweißfläche 414 umgibt. In dieser besonderen Ausführungsform wird jedoch die Basisschulterfläche 444 des Schulterabschnitts 432 nicht unter die Basiskuppelflächen 436 des Mittelabschnitts gedrückt, sondern die Basisschulterfläche 444 und die Basiskuppelflächen 436 sind ausgerichtet und weisen die gleiche konvexe Kuppelform auf, wie beispielsweise eine kugelförmige Form mit einem Krümmungsradius, der in einem Bereich von 10 mm bis 100 mm oder, genauer, von 20 mm bis 50 mm liegt.
Die vorstehend beschriebenen Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 können in einer Vielzahl von Widerstandspunktschweißungen in Verbindung mit Stapeln mit gleichartigen oder ungleichen Metallwerkstücken eingesetzt werden. So kann beispielsweise jede der vorstehend beschriebenen Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 sowie andere, nicht ausdrücklich dargestellte und beschriebene Variationen in Verbindung mit einer anderen Punktschweißelektrode mit einer gleichartigen oder ungleichen Elektrodenkonstruktion zum Punktschweißen eines Werkstückstapels verwendet werden, der mindestens ein Aluminiumwerkstück und ein überlappendes und angrenzendes Stahlwerkstück beinhaltet, wie im Folgenden in Bezug auf die 11-17 näher beschrieben wird. Die Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 sind beispielsweise betreibbar, um einen Werkstückstapel „2T“ ( 11-12) punktzuschweißen, der nur das angrenzende und überlappende Paar von Aluminium- und Stahlwerkstücken beinhaltet. Die Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 auch betreibbar zum Punktschweißen eines „3T“-Werkstückstapels (13-14), der das angrenzende und überlappende Paar Aluminium- und Stahlwerkstücke plus ein zusätzliches Aluminiumwerkstück oder ein weiteres Stahlwerkstück beinhaltet, solange die beiden Werkstücke der gleichen Metallzusammensetzung innerhalb des Stapels nebeneinander angeordnet sind (Aluminium-Aluminium-Stahl oder Aluminium-Stahl-Stahl). Die Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 können ebenfalls zum Punktschweißen von „4T“ Werkstückstapeln (z. B. Aluminium-Aluminium-Stahl, Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl oder Aluminium-Stahl-Stahl) verwendet werden.
Das Widerstandspunktschweißen eines Aluminiumwerkstücks und eines Stahlwerkstücks stellt aufgrund der materialbedingt unterschiedlichen Eigenschaften der ungleichen Werkstücke eine besondere Herausforderung dar. Insbesondere beinhaltet das Aluminiumwerkstück typischerweise eine feuerfeste Oxid-Oberflächenschicht, die schwer zu durchbrechen und aufzulösen ist, was dazu führt, dass während des Stromflusses an der Passschnittstelle des Werkstücks ein Oxidfilmrückstand vorhanden ist, der die Fähigkeit des im Aluminiumwerkstück erzeugten geschmolzenen Aluminiumschweißbades behindert, das Stahlwerkstück zu benetzen und auch zu Defekten an der Nahtschnittstelle beitragen kann. Darüber hinaus ist das Stahlwerkstück thermisch und elektrisch widerstandsfähiger als das Aluminiumwerkstück, was bedeutet, dass das Stahlwerkstück als Wärmequelle und das Aluminiumwerkstück als Wärmeleiter wirkt. Das daraus resultierende Wärmeungleichgewicht zwischen den Werkstücken während und kurz nach dem Beenden des Stromflusses neigt dazu, die Schweißfehler, wie Porosität und Mikrorisse, in Richtung und entlang einer Bindefläche der Schweißnaht und des Stahlwerkstücks zu treiben, und trägt auch zur Bildung und zum Wachstum einer spröden intermetallischen Fe-Al-Schicht bei, die mit dem Stahlwerkstück zusammenhängt. Die Herausforderungen bei der Herstellung einer Schweißnaht zwischen Aluminium- und Stahlwerkstücken sind noch komplizierter, wenn eine organische Materialzwischenschicht zwischen den Passflächen der überlappenden Werkstücke angeordnet ist.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die HAZ, welche die Schweißnaht innerhalb des Aluminiumwerkstücks umgibt, bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise während des Einbrennens zum Aushärten von aufgetragenen Lackschichten auftreten, ausgehärtet werden kann. Bei der Lackierung eines Fahrzeugs können eine Reihe von Beschichtungen (z. B. Zinkphosphat- oder Zirkoniumoxidbeschichtung, E-Beschichtung, Grundierungen, Basisbeschichtungen, Klarlacke usw.) auf eine ansonsten montierte Fahrzeugkarosserie aufgebracht werden, die eine Reihe von Schweißnähten beinhalten kann, die zwischen einem Aluminiumwerkstück und einem Stahlwerkstück durch Widerstandspunktschweißen gebildet werden. Das Fahrzeug kann durch einen oder mehrere Backöfen, wie beispielsweise einen ELPO-Backofen und einen Decklackofen, transportiert werden, um die aufgebrachten Beschichtungen bei Temperaturen von 160 °C bis 190 °C auszuhärten. Das HAZ, das die Schweißnähte umgibt, die ein Aluminiumwerkstück und ein Stahlwerkstück zusammenfügen, kann bei einem solchen Einbrennvorgang zu einem starken Härteverhalten neigen, wodurch die Vickers-Härte (HV) des HAZ 90 HV oder sogar 100 HV überschreiten kann, verglichen mit einer Härte zwischen 60 HV und 70 HV für den Linsenabschnitt der Schweißnaht. Wenn die HAZ in diesem Umfang ausgehärtet ist, können Risse, die entlang der Passschnittstelle einleiten und sich ausbreiten, nicht in das ausgehärtete Aluminium der HAZ einwachsen. Die Risse umgehen daher die HAZ und wachsen bei Belastung der Schweißnaht in die intermetallische Schicht der Schweißnaht ein. Dies ist unerwünscht, da die intermetallische Schicht der Schweißnaht härter, spröder und weniger zäh ist als der viel größere Abschnitt der Aluminium-Schweißlinse der Verbindung.
Die Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 der vorliegenden Offenbarung sind so ausgelegt, dass sie jede der verschiedenen zuvor genannten Fragen ansprechen. Tatsächlich dienen die radial beabstandeten ringförmigen Stege 38, 138, 238, 338, 438 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30, 130, 230, 330, 430 der Schweißnaht 14, 114, 214, 314, 414 zunächst dazu, einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt mit dem Aluminiumwerkstück herzustellen, indem die mechanisch zähe und elektrisch isolierende feuerfeste Oxid-Oberflächenschicht, die typischerweise in einem Aluminiumwerkstück unter den verhältnismäßig hohen Drücken auf die Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 aufgebracht ist, belastet und gebrochen wird. Die radial beabstandeten ringförmigen Oberflächenmerkmale 48 (52, 152, 354, 454) am Schulterabschnitt 32, 132, 332, 432 der Schweißfläche 14, 114, 314, 414 können dabei ebenfalls helfen, falls vorhanden. Zudem erstreckt sich die radiale Außenfläche 42, 142, 242, 342, 442 des äußersten ringförmigen Stegs 38'', 138'', 238'', 338'', 438'' des zentralen Kuppelabschnitts 30, 130, 230, 330, 430 nach unten unter der Basiskuppelfläche 36, 136, 236, 336, 436 zum Schulterabschnitt 32, 132, 232, 332, 432 der Schweißfläche 14, 114, 214, 314, 414 - entweder zur Basisschulterfläche 44, 144, 244, die unter die Basiskuppelfläche 36, 136, 236 gedrückt wird oder in eine Nut 354, 454 auf dem Schulterabschnitt 332, 432, der an den zentralen Kuppelabschnitt 330, 430 angrenzt, wird eine Wärmebehandlung innerhalb des Aluminiumwerkstücks induziert, welche das anschließende Aushärten der HAZ begrenzt und einen „Gelenkeffekt“ erzeugt, der die am Kerbgrund eingeleiteten Risse in den weicheren und härteren Schweißspaltabschnitt der Schweißnaht weg von der Passschnittstelle und der intermetallischen Schicht ablenkt. Keines der vorstehend genannten Konstruktionsmerkmale macht es möglich, dass die Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 gegen das Stahlwerkstück gedrückt oder Strom durch das Werkstück geleitet werden können.
Bezugnehmend auf die 11-17 kann die Schweißelektrode 610 dazu verwendet werden, einen Werkstückstapel 60 widerstandspunktzuschweißen, der mindestens ein Aluminiumwerkstück 62 und ein Stahlwerkstück 64 umfasst, die überlappen und auf einer Schweißseite 66 liegen. Die durch die Referenznummer 610 bezeichnete Schweißelektrode ist der Einfachheit halber allgemein veranschaulicht, dient aber dazu, jede der vorstehend beschriebenen Schweißelektroden 10, 110, 210, 310, 410 sowie nicht beschriebene Variationen zu erfassen und sich darauf zu beziehen, wobei die verschiedenen strukturellen Merkmale der Elektrode 610 ebenfalls durch entsprechende Referenznummern der Serie 600 identifiziert werden. Die Schweißelektrode 610 kann mit einer Vielzahl von Werkstückstapelkonfigurationen verwendet werden, die das angrenzende Paar von Aluminium- und Stahlwerkstücken 62, 64 beinhalten. Der Werkstückstapel 60 kann beispielsweise nur das Aluminiumwerkstück 62 und das Stahlwerkstück 64 beinhalten, was die Anzahl der Werkstücke betrifft, oder er kann ein zusätzliches Aluminiumwerkstück oder ein zusätzliches Stahlwerkstück beinhalten, solange die beiden Werkstücke aus der gleichen Basismetallkomposition nahe beieinander im Werkzeugstapel 60 angeordnet sind. Der Werkstückstapel 60 kann sogar mehr als drei Metallwerkstücke wie einen Aluminium-Aluminium-Stahl-Stahl-Stapel, einen Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl-Stapel oder einen Aluminium-Stahl-Stahl-Stahl-Stapel beinhalten. Die Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 können bearbeitet oder verformt worden sein, bevor oder nachdem sie zum Werkstückstapel 60 zusammengefügt werden, je nachdem, welches Teil hergestellt wird und wie die Einzelheiten des Fertigungsprozesses dieses bestimmten Teils aussehen.
Der Werkstückstapel 60 ist in 11 zusammen mit der vorstehend beschriebenen Schweißelektrode 610 veranschaulicht, (hierin als „erste Schweißelektrode 610“ bezeichnet) und einer zweiten Schweißelektrode 68, die mechanisch und elektrisch auf einer Schweißzange 70 angeordnet sind (teilweise dargestellt). Der Werkstückstapel 60 weist eine erste Seite 72 auf, die von einer Aluminiumwerkstück-Oberfläche 72' bereitgestellt wird und eine zweite Seite 74, die von einer Stahlwerkstück-Oberfläche 74' bereitgestellt wird. Die beiden Seiten 72, 74 des Werkstückstapels 60 sind zum Einstellen der ersten und zweiten Schweißelektrode 610, 68 jeweils an der Schweißstelle 66 zugänglich; d. h. die erste Schweißelektrode 610 ist zum Kontaktieren und an der ersten Seite 72 des Werkstückstapels 60 angepresst angeordnet, während die zweite Schweißelektrode 68 zum Kontaktieren und an der zweiten Seite 74 des Werkstückstapels 60 angepresst angeordnet ist. Und während in den Figuren nur eine Schweißstelle 66 dargestellt ist, werden es Fachleute begrüßen, dass Punktschweißen gemäß den Praktiken der offenbarten Verfahren an verschiedenen unterschiedlichen Schweißstellen 66 am selben Werkstückstapel 60 ausgeführt werden kann.
Das Aluminiumwerkstück 62 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 das Aluminiumsubstrat beschichtet ist, kann es eine Oberflächenschicht umfassen, die aus einem feuerfesten Oxidmaterial, wie beispielsweise einer nativen Oxidschicht besteht, die sich auf natürliche Weise bildet, wenn das Aluminiumsubstrat Luft ausgesetzt wird, und/oder eine Oxidschicht, die während der Aussetzung des Aluminiumsubstrats an erhöhte Temperaturen während der Herstellung, wie z. B. ein Walzzunder, erzeugt wird. Das feuerfeste Oxidmaterial umfasst typischerweise Aluminiumoxid-Verbindungen und gegebenenfalls andere Oxid-Verbindungen, wie beispielsweise Magnesiumoxid-Verbindungen, wenn beispielsweise 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-Pat. Pub. Nr. 2014/0360986. Die Oberflächenschicht kann eine Dicke von 1 nm bis 10 µm aufweisen und kann, abhängig von dessen Zusammensetzung, auf jeder Seite des Aluminiumsubstrats vorhanden sein. Unter Berücksichtigung der Dicke des Aluminiumsubstrats und jeglicher optionalen vorhandenen Beschichtung weist das Aluminiumwerkstück 62 eine Dicke 621 auf, die in einem Bereich von 0,3 mm bis ungefähr 6,0 mm oder genauer von 0,5 mm bis 3,0 mm liegt, zumindest an der Schweißstelle 66.
Das Aluminiumsubstrat des Aluminiumwerkstücks 62 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 aus einem Aluminiumlegierungsgussstück der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die das Aluminiumsubstrat bilden können, beinhalten unter anderem, aber ohne Einschränkung, die AA5754- und AA5182 -Aluminium-Magnesium-Legierung, die AA6111- und AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-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. Der hierin verwendete Begriff „Aluminiumwerkstück“ umfasst somit unlegiertes Aluminium und eine Vielzahl von Aluminiumlegierungen, ob beschichtet oder unbeschichtet, in verschiedenen punktschweißbaren Formen einschließlich Schmiedeblechschichten, Extrusionen, Schmiedestücken, usw. sowie Gusstücke.
Das Stahlwerkstück 64 beinhaltet ein Stahlsubstrat einer jeden beliebigen Festigkeit und Grad, das entweder beschichtet oder unbeschichtet ist. Das Stahlsubstrat kann heißgerollt oder kaltgerollt sein und kann aus Stahl, wie beispielsweise 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), TWIP-Stahl (Twining Induced Plasticity) und Borstahl, als wenn das Stahlwerkstück 64 pressgehärteten Stahl (PHS) beinhalten würde, bestehen. Bevorzugte Zusammensetzungen des Stahlsubstrats sind jedoch Weichstahl, Dualphasenstahl und Borstahl, die bei der Herstellung von pressgehärtetem Stahl verwendet werden. Diese drei Stahlsorten weisen höchste Zugfestigkeiten auf, die jeweils zwischen 150 MPa und 500 MPa, zwischen 500 MPa und 1100 MPa und zwischen 1200 MPa und 1800 MPa liegen können. Das Stahlwerkstück 64 kann eine Oberflächenschicht auf einer Seite oder beiden Seiten des Stahlsubstrats beinhalten. Wenn beschichtet, beinhaltet das Stahlsubstrat vorzugsweise eine Oberflächenschicht aus Zink (z. B. Heißtauch-galvanisiert), eine Zink-Eisen-Legierung (z. B. galvanisiert oder galvanisch abgeschieden), eine Zink-NickelLegierung (z. B. galvanisch abgeschieden), Nickel, Aluminium, eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung oder eine Aluminium-Silizium-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 weist das Stahlwerkstück 64 eine Dicke 641, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm oder genauer von 0,6 mm bis 2,5 mm zumindest an der Schweißstelle 66 liegt.
Wenn die beiden Werkstücke 62, 64 für das Punktschweißen von im Rahmen einer „2T“-Stapel-Ausführungsform wie in den 11-12 veranschaulicht, gestapelt sind, stellen das Aluminiumwerkstück 62 und das Stahlwerkstück 64 jeweils die erste und zweite Seite 72, 74 des Werkstückstapels 60 dar. Insbesondere beinhaltet das Aluminiumwerkstück 62 eine Passfläche 76 und eine Rückseite 78 und ebenfalls beinhaltet das Stahlwerkstück 64 eine Passfläche 80 und eine Rückseite 82. Die Passflächen 76, 80 der beiden Werkstücke 62, 64 überlappen und liegen einander gegenüber, um eine Passschnittstelle 84 zu bilden, die sich durch die Schweißstelle 66 erstreckt und die optional eine zwischen den Passflächen 76, 80 aufgebrachte organische Materialzwischenschicht 86 umfassen kann. Andererseits sind die Rückseiten 78, 82 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 generell voneinander an der Schweißstelle 66 in entgegengesetzten Richtungen gegenseitig abgewandt und bilden jeweils die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 72' und die Stahlwerkstück-Oberfläche 74' der ersten und zweiten Seiten 72, 74 des Werkstückstapels 60.
Die organische dazwischenliegende Materialschicht 86, die eventuell zwischen den Passflächen 76, 80 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 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 Terokal 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 Klebeschich während der Fertigungsvorgänge beinhalten. Die dazwischenliegende organische Materialschicht 86 kann neben einer Klebeschicht weitere organische Materialschichten, wie beispielsweise eine Schallschutzschicht oder eine organische Versiegelung beinhalten, um nur einige wenige andere Möglichkeiten zu nennen.
Der Begriff „Passschnittstelle 84“ wird in der vorliegenden Offenbarung breit verwendet und soll beliebige Überlappungen und gegenüberliegende Beziehungen zwischen den Passflächen 76, 80 der Werkstücke 62, 64 umfassen, an welchen das Widerstandspunktschweißen ausgeführt werden kann. Die Passflächen 76, 80 können beispielsweise in direktem Kontakt miteinander stehen, wenn sie physisch aneinander anliegen und nicht durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht (d. h. die dazwischenliegende organische Materialschicht 86 ist nicht vorhanden) getrennt sind. In einem anderen Beispiel können die Passflächen 76, 80 in indirekten Kontakt miteinander sein, wenn sie durch eine dazwischenliegende organische Materialschicht 86 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. Diese Art des indirekten Kontakts zwischen den Passflächen 76, 80 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 ergibt sich typischerweise, wenn die dazwischenliegende organische Materialschicht 86 zwischen den Passflächen 76, 80 bis zu einer Dicke mindestens innerhalb der Schweißstelle 66 aufgebracht wird, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm oder, genauer, von 0,2 mm bis 1,0 mm liegt.
Selbstverständlich beschränkt sich, wie in den 13-14 dargestellt, der Werkstückstapel 60 nicht auf die Einbeziehung nur des Aluminiumwerkstücks 62 und des angrenzenden Stahlwerkstücks 64 in Bezug auf die Anzahl der Werkstücke. Der Werkstückstapel 60 kann auch mindestens ein zusätzliches Aluminiumwerkstück oder ein zusätzliches Stahlwerkstück beinhalten - zusätzlich zu den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 62, 64 - solange das zusätzliche Werkstück angrenzend an das Werkstück 62, 64 aus derselben Basismetallzusammensetzung angeordnet ist; d. h. jedes zusätzliche Aluminiumwerkstück ist an das Aluminiumwerkstück 62 gegenüber der Passschnittstelle 84 angrenzend angeordnet und jedes zusätzliche Stahlwerkstück ist an das Stahlwerkstück 64 gegenüber der Passschnittstelle 84 angrenzend angeordnet. Was die Eigenschaften zusätzlicher Werkstücke anbetrifft, so sind die Beschreibungen des Aluminiumwerkstücks 62 und des Stahlwerkstücks 64, die vorstehend bereitgestellt werden, auf jedes zusätzliche Aluminium- oder Stahlwerkstück anwendbar, das in den Werkstückstapel 60 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 62 und dem Stahlwerkstück 64, die nebeneinander im Werkstückstapel 60 liegen.
Wie beispielsweise in 13 dargestellt, kann der Werkstückstapel 60 die vorstehend beschriebenen angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 mit einem weiteren Aluminiumwerkstück 88 beinhalten. Hier überlappt, wie dargestellt, das zusätzliche Aluminiumwerkstück 88 mit den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 62, 64 und ist an das Aluminiumwerkstück 62 angrenzend angeordnet. Wenn das zusätzliche Aluminiumwerkstück 88 derart angeordnet ist, bildet die Rückseite 82 des Stahlwerkstücks 64 wie bisher die Stahlwerkstückoberfläche 74', die die zweite Seite 74 des Werkstückstapels 60 bereitstellt, während das Aluminiumwerkstück 62, das an das Stahlwerkstück 64 angrenzt, nun ein Paar von gegenüberliegenden Passflächen 76, 90 beinhaltet. Die Passfläche 76 des Aluminiumwerkstücks 62, das der angrenzenden Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64 gegenübersteht, stellt weiterhin die Passschnittstelle 84 zwischen den beiden Werkstücken 62, 64 dar, wie zuvor beschrieben. Die andere Passfläche 90 des Aluminiumwerkstücks 62 überlappt und steht einer Passfläche 92 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 88 gegenüber. In diesem Sinn bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 88, 62, 64 eine Rückseite 94 des zusätzlichen Aluminiumwerkstücks 88 nun die Aluminiumwerkstückoberfläche 72', die die erste Seite 72 des Werkstückstapels 60 bereitstellt.
In einem anderen Beispiel kann, wie in 14 dargestellt, der Werkstückstapel 60 die vorstehend beschriebenen angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 zusammen mit einem weiteren Stahlwerkstück 96 beinhalten. Hier überlappt wie gezeigt das zusätzliche Stahlwerkstück 96 mit den angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücken 62, 64 und ist an das Stahlwerkstück 64 angrenzend angeordnet. Wenn das zusätzliche Stahlwerkstück 96 derart angeordnet ist, bildet die Rückseite 78 des Aluminiumwerkstücks 62 wie bisher die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 72', die die erste Seite 72 des Werkstückstapels 60 bereitstellt, während das Stahlwerkstück 64, das an das Aluminiumwerkstück 62 angrenzt, nun ein Paar von gegenüberliegenden Passflächen 80, 98 beinhaltet. Die Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64, die der angrenzenden Passfläche 76 des Aluminiumwerkstücks 62 gegenübersteht, stellt weiterhin die Passschnittstelle 84 zwischen den beiden Werkstücken 62, 64 her wie zuvor beschrieben. Die andere Passfläche 98 des Stahlwerkstücks 64 steht einer Passfläche 100 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 96 gegenüber und steht in überlappendem Kontakt mit dieser. In diesem Sinn bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 62, 64, 96 eine Rückseite 102 des zusätzlichen Stahlwerkstücks 96 nun die Stahlwerkstückoberfläche 74', die die zweite Seite 74 des Werkstückstapels 60 bereitstellt.
Zurück nun zu 11, wo die erste Schweißelektrode 610 und die zweite Schweißelektrode 68 zur Leitung des elektrischen Stroms durch den Werkstückstapel 60 und über die Passschnittstelle 84 der angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 an der Schweißstelle 66 unabhängig davon verwendet wird, ob ein zusätzliches Aluminium- und/oder Stahlwerkstück vorhanden ist. Jede der Schweißelektroden 610, 68 wird von der Schweißzange 70 getragen, die 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 70 an einen Roboter zu montieren, der in der Lage ist, die Schweißzange 70 um den Werkstückstapel 60 nach Bedarf herumzubewegen oder es kann erforderlich sein, die Schweißzange 70 als stationären sockelartigen Typ zu konfigurieren, in dem der Werkstückstapel 60 in Bezug auf die Schweißzange 70 gehandhabt und bewegt wird. Zusätzlich, wie hier schematisch veranschaulicht, kann die Schweißzange 70 einer Stromversorgung 104 zugeordnet werden, die elektrischen Strom zwischen die Schweißelektroden 610, 68 nach einem programmierten Schweißplan liefert, verwaltet durch eine Schweißsteuerung 106. Die Schweißzange 70 kann auch mit Kühlmittelleitungen und zugehörigen Steuereinrichtungen ausgestattet sein, um jeder der Schweißelektroden 610, 68 ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, zuzuführen, um die Temperaturen der Schweißelektroden 610, 68 während des Stromflusses zu steuern.
Die Schweißzange 70 beinhaltet einen ersten Zangenarm 71 und einen zweiten Zangenarm 73. Der erste Zangenarm 71 ist in der ersten Schweißelektrode 610 gesichert und wird gehalten und der zweite Zangenarm 73 ist in einer zweiten Schweißelektrode 68 gesichert und wird gehalten. Bezüglich ihrer Positionierung bezogen auf den Werkstückstapel 60 ist die erste Schweißelektrode 610 zum Kontakt mit der ersten Seite 72 des Stapels 60 positioniert und konsequenterweise ist die zweite Schweißelektrode 68 zum Kontakt mit der zweiten Seite 74 des Stapels 70 positioniert. Die ersten und zweiten Schweißzangenarme 71, 73 sind zum Zusammenführen oder Drücken der Schweißelektroden 610, 68 aufeinander zu betreibbar und um eine Klemmkraft auf den Werkstückstapel 60 an der Schweißstelle 66 aufzubringen, sobald die Elektroden 610, 68 in Kontakt mit ihren jeweiligen Werkstückstapelseiten 72, 74 gebracht wurden. Die Stromversorgung 104, die elektrischen Strom für den Durchgang zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode 610, 68 beim Punktschweißen des Werkstückstapels 60 liefert, ist vorzugsweise eine mittelfrequente Gleichstrom (MFDC) Wechselrichter-Stromversorgung, die elektrisch mit den Punktschweißelektroden 610, 68 verbunden ist. Andere Arten von Stromversorgungen können sicherlich zur Durchführung des offenbarten Verfahrens verwendet werden, obwohl sie hier nicht ausdrücklich angegeben sind. Die Stromversorgung 104 kann zum Durchleiten von Gleichstrom (DC) zwischen den Schweißelektroden 610, 68 bei Stromstärken bis zu 50 kA gemäß einem programmierten Schweißplan ausgelegt sein.
Die zweite Schweißelektrode 68, die gegenüber der ersten Schweißelektrode 610 eingesetzt wurde, kann jede beliebige Form von Elektrodenauslegungen sein. Im Allgemeinen beinhaltet die zweite Schweißelektrode 68 unter Bezugnahme auf die 11-12 einen Elektrodenkörper 75, eine Schweißfläche 77 und optional eine Übergangsnase 79, die dazu dient, die Schweißfläche 77 von einem vorderen Ende 81 des Elektrodenkörpers 75 nach oben zu verschieben. Die Schweißfläche 77 ist der Abschnitt der zweiten Schweißelektrode 68, der beim Punktschweißen mit der zweiten Seite 74 des Werkstückstapels 60 gegenüber der Schweißfläche 614 der ersten Schweißelektrode 610 in Kontakt kommt. Zumindest die Schweißfläche 77 der zweiten Schweißelektrode 68, vorzugsweise die gesamte Schweißelektrode 68 einschließlich des Elektrodenkörpers 75, die Schweißfläche 77 und die Übergangsnase 79, falls vorhanden, ist aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 70 % IACS oder mehr, vorzugsweise mindestens 90 % IACS und einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 300 W/mK aufgebaut. Einige Materialien, die diese Kriterien erfüllen, beinhalten eine Kupfer-Zirkonium (CuZr)-Legierung C15000, eine Kupfer-Chrom (CuCr)-Legierung C18200, eine Kupfer-Chrom-Zirkonium (CuCrZr)-Legierung C18150 und ein dispersionsverstärktes Kupfermaterial, wie beispielsweise Kupfer mit einer Aluminiumoxiddispersion. Andere Materialien, die hier nicht ausdrücklich aufgeführt sind und die die jeweiligen elektrischen und thermischen Leitfähigkeitsstandards erfüllen, können ebenfalls verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Schweißelektrode 68 ähnlich wie die erste Schweißelektrode 610 aufgebaut, sodass die vorstehende Beschreibung der ersten Schweißelektrode 610 und der Inhalt der 1-10 hier gleichermaßen anwendbar sind. Das heißt, die Struktur des Elektrodenkörpers 75, der Schweißfläche 77 und der optionalen Übergangsnase 79 der zweiten Schweißelektrode 68 weist die gleichen strukturellen Merkmale auf und entspricht der vorstehenden Erläuterung der Struktur des Elektrodenkörpers 12, 112, 212, 312, 412, der Schweißfläche 14, 114, 214, 314, 414 und der optionalen Übergangsnase 24, 124, 224, 324, 424 der ersten Schweißelektrode 10, 110, 210, 310, 410. Und obwohl die zweite Schweißelektrode 68 eine ähnliche Struktur wie die erste Schweißelektrode 10, 110, 210, 310, 410 aufweisen kann, müssen die ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 nicht notwendigerweise in jeder Hinsicht identisch und nicht unterscheidbar sein. Sicherlich können die ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 eine ähnliche Struktur aufweisen, obwohl sie dennoch einige strukturelle Unterschiede aufweisen, die innerhalb der hierin beschriebenen zulässigen numerischen Abweichungen liegen.
Ein Widerstandspunktschweißverfahren ist nachfolgend anhand der 11 und 15-17 beschrieben, welche nur die Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 darstellen, die überlappen und angrenzend aneinander liegen, um so die Passschnittstelle 84 herzustellen. Die Anwesenheit zusätzlicher Werkstücke im Werkstückstapel 60 einschließlich beispielsweise der vorstehend beschriebenen Aluminium- oder Stahlwerkstücke 62, 64 beeinflusst nicht die Art der Durchführung des Punktschweißverfahrens oder hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Zusammenfügemechanismus, der an der Passschnittstelle 84 der benachbarten Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 stattfindet. Die unten angegebene genauere Erläuterung gilt somit für Fälle, in denen der Werkstückstapel 60 ein „3T“-Stapel ist, der das zusätzliche Aluminiumwerkstück 88 (13) oder das zusätzliche Stahlwerkstück 96 (14) sowie „4T“-Werkstückstapel beinhaltet, trotz der Tatsache, dass diese zusätzlichen Werkstücke in den 11 und 15-17 nicht veranschaulicht sind. Fachleute wissen zu schätzen, wie das beschriebene Verfahren bei Bedarf angepasst werden kann, um die Anwesenheit von zusätzlichen Aluminium- und/oder Stahlwerkstücken zu berücksichtigen.
Das offenbarte Schweißverfahren besteht darin, zunächst bei Bedarf den Werkstückstapel 60 einschließlich des Paares angrenzender Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 zusammen mit der optionalen dazwischenliegenden organischen Materialschicht 86, die sich durch die Schweißstelle 66 über einen breiteren Fügebereich erstreckt, aufzubauen. Um die Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 zusammenzuführen und zu fixieren, können geeignete Vorrichtungen verwendet werden. Nach dem Zusammenbau wird der Werkstückstapel 60 zwischen der ersten Schweißelektrode 610 und der gegenüberliegenden zweiten Schweißelektrode 68 positioniert. Die Schweißfläche 614 der ersten Schweißelektrode 610 ist positioniert, um die Aluminiumwerkstück-Oberfläche 72' der ersten Seite 72 des Werkstückstapels 60 zu kontaktieren und die Schweißfläche 77 der zweiten Schweißelektrode 68 ist angeordnet, um die Stahlwerkstück-Oberfläche 74' der zweiten Seite 74 des Stapels 60 zu kontaktieren. Die Schweißzange 70 führt dann die ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 so zueinander, dass ihre entsprechenden Schweißflächen 614, 77 gegen die gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten 72, 74 des Stapels 60 an der Schweißstelle 66 gepresst werden. Die Schweißflächen 614, 77 sind typischerweise zueinander fluchtend an der Schweißstelle 66 unter einer auf den Werkstückstapel 60 auferlegten Klemmkraft ausgerichtet, die im Bereich von 400 lb (Pfund Kraft) bis 2000 lb oder, genauer, von 600 lb bis 1300 lb liegt.
In Abhängigkeit von mindestens der Geometrie der Schweißnaht 614 der ersten Schweißelektrode 610 wird der von der ersten Schweißelektrode 610 ausgeübte Druck zunächst konzentriert und durch die radial beabstandeten ringförmigen Stege 38, 138, 238, 338, 438 auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30, 130, 230, 330, 430 auf einen entsprechend begrenzten Bereich der ersten Seite 72 des Werkstückstapels 60 geleitet. Die fokussierte Richtung des Klemmdrucks durch eine begrenzte Fläche spannt und verformt die Passflächen 76, 80 der Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 zusammen in der Mitte der Schweißstelle 66 und treibt darüber hinaus eine seitliche Verschiebung der dazwischenliegenden organischen Materialschicht 86, falls vorhanden, entlang der Passschnittstelle 84 an. Durch die anfängliche Förderung der lateralen Verschiebung der Schicht 86 des dazwischenliegenden organischen Materials (falls vorhanden) wird im Wesentlichen das gesamte organische Material von mindestens einem der zentrischsten Bereiche der Schweißstelle 66 entfernt, die zwischen 2 mm und 6 mm Durchmesser liegen können, wobei nur minimales organisches Material von weniger als 0,1 mm Dicke zurückbleibt, falls vorhanden. Somit kann zu Beginn des Stromflusses nur eine sehr geringe Menge an organischem Material an der Passschnittstell 84 verbleiben, was die Möglichkeit minimiert, dass thermische Zersetzungsprodukte (z. B. Kohlenstoffasche, Füllstoffpartikel usw.) in der Nähe der Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64 erzeugt werden können und schließlich zur Bildung von Nahtstellenfehlern in der Schweißnaht beitragen.
Nachdem die Schweißflächen 610, 68 der ersten und zweiten Schweißelektroden 72, 74 des Werkstückstapels 60 jeweils gegeneinander gepresst werden, wird der elektrische Strom zwischen den zueinander ausgerichteten Schweißflächen 614, 77 der ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 durchgeleitet, um eine Schweißnaht 91 zu bilden (16). 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 rms (quadratischer Mittelwert) bis 50 kA rms auf und hält für eine Gesamtdauer von 50 ms bis 5000 ms oder, genauer gesagt, für eine Gesamtdauer von 200 ms bis 2000 ms an. Wie einige konkrete Beispiele, kann der Plan des angelegten elektrischen Stroms in der Art des mehrstufigen Schweißplans liegen, der in US2015/0053655 oder US2017/0106466 offenbart ist, wobei der gesamte Inhalt der einzelnen Anmeldungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, oder eines anderen Schweißplans, der für den Werkstückstapel 60 geeignet ist. Unter Bezugnahme auf 15 erwärmt der zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 fließende elektrische Strom das elektrisch und thermisch widerstandsfähige Stahlwerkstück 64 recht schnell. Diese Wärme wird auf das Aluminiumwerkstück 62 übertragen und bewirkt, dass das Aluminiumwerkstück 62 innerhalb der Schweißstelle 66 zu schmelzen beginnt. Das Schmelzen des Aluminiumwerkstücks 62 erzeugt ein geschmolzenes Aluminiumschweißbad 83. Das geschmolzene Aluminiumschweißbad 83 benetzt die angrenzende Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64 und ist im Aluminiumwerkstück 62 enthalten.
Während der Zeitspanne, in der das geschmolzene Aluminiumschweißbad 83 innerhalb des Aluminiumwerkstücks 62 bis zu seiner endgültigen Größe anwächst, drückt die Schweißfläche 614 der ersten Schweißelektrode 610 weiter in die erste Seite 72 des Werkstückstapels 60 ein, was nacheinander mehr von der Schweißfläche 614 in Presskontakt mit der ersten Seite 72 bringt. Der weitere Eindruck der Schweißfläche 614 der ersten Schweißelektrode 610 enthält letztendlich das geschmolzene Aluminiumschweißbad 83 innerhalb des Außenumfangs 6141 der Schweißfläche 614. Das geschmolzene Aluminiumschweißbad 83 kann einen Durchmesser entlang der Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64 aufweisen, der in einem Bereich von 3 mm bis 15 mm oder enger von 6 mm bis 12 mm liegt, und kann einen Abstand in das Aluminiumwerkstück 62 eindringen, der in einem Bereich von 10 % bis 100 % der Dicke 621 des Aluminiumwerkstücks 62 an der Schweißstelle 66 liegt. Und was seine Zusammensetzung anbetrifft, so besteht das geschmolzene Aluminiumschweißbad 83 überwiegend aus geschmolzenem Aluminiummaterial aus dem Aluminiumwerkstück 62.
Der Durchgang des elektrischen Stroms zwischen den Schweißflächen 614, 77 der ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 wird letztendlich beendet, wodurch der Stromfluss auf unter 1 kA sinkt, da noch eine gewisse Induktivität im System vorhanden sein kann, wodurch das geschmolzene Aluminiumschweißbad 83 in die Schweißnaht 91 verfestigt werden kann, wie in 16 dargestellt. Die Schweißnaht 91 ist das Material, das die angrenzenden Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 miteinander verbindet. Insbesondere stellt die Schweißnaht 91 eine Verbindungsschnittstelle 85 mit der Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64 her und beinhaltet zwei Hauptkomponenten: (1) eine Aluminium-Schweißlinse 87 und (2) eine intermetallische Fe-Al-Schicht 89. Die Aluminium-Schweißlinse 87 ist umfasst von verfestigtem Aluminium erstreckt sich in das Aluminiumwerkstück 62 mit einem Abstand, der oft im Bereich von 10 % bis 100 % oder enger von 20 % bis 80 % der Dicke 621 des Aluminiumwerkstücks 62 an der Schweißstelle 66 liegt. Die intermetallischen Fe-Al-Schicht 89 befindet sich zwischen der Aluminium-Schweißlinse 87 und der Passfläche 80 des Stahlwerkstücks 64 und ist angrenzend an die Verbindungsschnittstelle 85. Die intermetallische Fe-Al-Schicht 89 entsteht durch eine Reaktion zwischen dem geschmolzenen Aluminiumschweißbad 83 und Eisen, das vom Stahlwerkstück 64 bei Punktschweißtemperaturen in das Schweißbad 83 eindiffundiert und oft eine durchschnittliche Dicke von 1 µm bis 7 µm entlang der Verbindungsschnittstelle 85 der Schweißnaht 91 und des Stahlwerkstücks 64 aufweist. Intermetallische Verbindungen wie FeAl₃ Verbindungen, Fe₂Al₅ Verbindungen und möglicherweise andere intermetallische Fe-Al-Verbindungen finden sich in der intermetallischen Schicht 89. Und wie bereits erwähnt, ist die intermetallische Fe-Al-Schicht 89 härter, spröder und weniger zäh als die Aluminium-Schweißlinse 87.
Nachdem das Punktschweißverfahren abgeschlossen ist und die Schweißnaht 91 so gebildet ist, damit die Aluminium- und Stahlwerkstücke 62, 64 miteinander verschweißt werden, wird die auf den Werkstückstapel 60 an der Schweißstelle 66 auferlegte Klemmkraft entlastet und die ersten und zweiten Schweißelektroden 610, 68 werden von ihren jeweiligen Werkstückseiten 72, 74 weggezogen. Der Werkstückstapel 60 kann nun gegenüber der Schweißzange 70 so bewegt werden, dass die ersten und die zweiten Schweißelektroden 610, 68 in zugewandter Ausrichtung an einer anderen Schweißstelle 66 angeordnet werden, wobei das Punktschweißverfahren wiederholt wird. Nachdem die gewünschte Anzahl von Schweißnähten 91 auf dem Werkstückstapel 60 gebildet wurde, kann der Stapel 60 einer weiteren Bearbeitung einschließlich des Lackierens unterzogen werden. Diesbezüglich sind die den Lackiervorgang begleitenden Lackeinbrennvorgänge weniger anfällig gegenüber Einflüssen und Beeinträchtigungen der Festigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften der Schweißnaht 91, da die Verwendung der vorstehend beschriebenen besonderen Schweißflächengeometrie (z. B. Schweißflächen 14, 114, 214, 314, 414) an mindestens der ersten Schweißelektrode 610 und, falls gewünscht, an der zweiten Schweißelektrode 68 einen Gelenkeffekt innerhalb des Aluminiumwerkstücks 62 um die Schweißnaht 91 herum durch eine Kombination aus HAZ-Erweichung aus Wärmeeinwirkung und Schweißnahtgeometrie, die dazu dient, Risse, die am Kerbgrund eingeleitet wurden, bis in den weicheren Schweißlinsen 87 der Schweißnaht 91 und weg von der härteren, weniger zähen und spröden intermetallischen Schicht 89 abzulenken, wenn der geschweißte Stapel bestimmten Beanspruchungen ausgesetzt ist.
Der Gelenkeffekt, der durch die Verwendung der Schweißflächengeometrie in Verbindung mit mindestens der ersten Schweißelektrode 610 entsteht, wird in Verbindung mit 17 beschrieben und erläutert. Hier ist ein Werkstückstapel 760 dargestellt, bei welchem ein Aluminiumwerkstück 762 und ein Stahlwerkstück 764 durch eine Schweißnaht 791 schweißverbunden sind. Eine Schweißelektrode mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion der ersten Schweißelektrode 610 wurde in Verbindung mit einer anderen Schweißelektrode zum Bilden der Schweißnaht 791 verwendet. Insbesondere die Schweißelektrode, die in das Aluminiumwerkstück 762 eingepresst wurde, hatte die Konstruktion der ersten Schweißelektrode 610. Der „ Gelenkeffekt ‟ entsteht durch den Eingriff dieser speziellen Schweißelektrode mit dem Aluminiumwerkstück 762 und ist insbesondere eine Folge der Schweißnahtgeometrie, in welcher der äußerste ringförmige Steg 38'',138'', 238'', 338'', 438'' auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30, 130, 230, 330, 430 radial nach innen entweder einer ringförmigen Nut 354 angeordnet ist (7-9), 454 (10) oder einer gedrückten Basisschulterfläche 44' (1-4), 144' (5), 244 (6). Der Gelenkeffekt verbessert die mechanische Leistung der Schweißnaht 791, insbesondere bei Zug- oder Abziehbeanspruchung, und ist gekennzeichnet durch mechanische, thermische und/oder metallurgische Variationen innerhalb des Aluminiumwerkstücks 762, von denen die Schweißnaht 791 umgeben ist und die eine Rissbildung und -ablenkung innerhalb des Aluminiumwerkstücks 762 und in der Aluminium-Schweißlinse 787 der Schweißnaht 791 fördern, anstatt sich in und durch die intermetallische Schicht 789 auszubreiten.
Wenn beispielsweise das Aluminiumwerkstück 762 aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung besteht, zeichnet sich der Gelenkeffekt durch eine Reihe von Zonen aus, die auf nachfolgende Lackeinbrennvorgänge unterschiedlich reagieren. Eine erste Zone 793 enthält die Aluminium-Schweißlinse 787. Der Aluminium-Schweißlinse 787 weist eine vollständig umgeschmolzene Mikrostruktur auf, die weich (~60-70 HV), stabil und nicht wärmebehandlungsempfindlich ist. Etwas außerhalb des Umfangs der ersten Zone 793 befindet sich eine zweite Zone 795, die Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung erreicht hat. Durch die Einwirkung höherer Temperaturen können sich gelöste Elemente in der Aluminiumlegierung auflösen, die sich dann beim Einbrennen ausfällen, um die Härte (80 bis 120 Hv) der Legierung deutlich zu erhöhen. Jenseits der zweiten Zone 795 befindet sich eine dritte Zone 797. Diese Zone 797 ist durch die Herstellung der Schweißnaht 791 ebenfalls erhöhten Temperaturen ausgesetzt und wird ausreichend erwärmt, um gelöste Elemente auszufällen und so zu vergröbern, dass sie innerhalb der Aluminiumlegierung stabil sind. Die Aluminiumlegierung in der dritten Zone 797 reagiert weniger auf die Wärmebehandlung und ist weicher (60 bis 80 Hv) als die Legierung in der zweiten Zone 795 um die Schweißnaht 791. Abschließend befindet sich jenseits der dritten Zone 797 eine vierte Zone 799, in der die Aluminiumlegierung durch das Schweißverfahren weitgehend unbeeinflusst bleibt und während der Wärmebehandlung (80 bis 120 Hv) weiterhin zur Ausscheidungshärtung fähig ist. Die Herstellung der weichen dritten Zone 797 um die Schweißnaht 791 fördert die Verformung des Aluminiumwerkstücks 762 unter Beanspruchung, sodass Risse vorzugsweise im Aluminiumwerkstück 762 auftreten, im Gegensatz zu der intermetallischen Schicht 789 oder nahegelegenen Oxidfilmfehlern an der Verbindungsschnittstelle 785.
Obwohl sich die thermischen und metallurgischen Variationen auf wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen beschränken, gelten die mit dem Gelenkeffekt verbundenen mechanischen Variationen sowohl für wärmebehandelbare als auch für nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen und beziehen sich auf die abrupte Dickenänderung des Aluminiumwerkstücks 762, die der Stelle des äußersten ringförmigen Steges 38'',138'', 238'', 338'', 438''auf dem zentralen Kuppelabschnitt 30, 130, 230, 330, 430 entspricht, und wobei dies in Bezug auf die Schweißnaht 791 und die Kerbengrundgeometrie erfolgt. Der Gelenkeffekt erhöht die Spannung im Aluminiumwerkstück 762 und ermöglicht einen einfacheren Rissverlauf durch das Aluminiumwerkstück 762, der ein Risswachstum entlang der Verbindungsschnittstelle 785 verhindert. Damit der Gelenkeffekt am effektivsten ist, muss er in der Nähe des Verlaufs eines wachsenden Risses liegen. Risse in der Schweißnaht 791 beginnen typischerweise bei einem Kerbgrund 801, der eine Kerbgrundöffnung 803 zwischen den Werkstücken 762, 764 und einen Kerbgrundschlitz 805 angrenzend an den Umfang der Schweißnaht 791 beinhaltet. Risse beginnen am Kerbengrundschlitz 805 und können entlang der Verbindungsschnittstelle 785 wachsen, wenn eine dicke intermetallische Schicht 789 vorhanden ist, oder Schweißfehler entlang der Verbindungsschnittstelle 785, sodass die Risse folgen können. Sobald ein Riss entlang der Verbindungsschnittstelle 785 zu wachsen beginnt, stößt er auf die weiche, erstarrte Aluminium-Schweißlinse 787, wobei er, wenn sich das Aluminiumwerkstück 762 durch eine Kombination aus Härteprofil (weicher Bereich) und Verbindungsgeometrie (Spannungskonzentration) biegen oder verformen kann, in die Aluminium-Schweißlinse 787 abgelenkt wird. Sobald der Riss in die Aluminium-Schweißlinse 787 abgelenkt wird, kann er zur Blechoberfläche und von der Verbindungsschnittstelle 785 wegwachsen.
Der „Gelenkeffekt“ ist somit eine auferlegte Bedingung innerhalb des Aluminiumwerkstücks 762, sei es eine weiche Zone, die sich zwischen harten Zonen befindet, oder eine abrupte Dickenänderung, die es dem Aluminiumwerkstück 762 ermöglicht, unter Beanspruchung ein Biegemoment zu erfahren, insbesondere wenn Zug- oder Schälbeanspruchung aufgebracht wird. Dieses Biegemoment ähnelt einer Gelenkbewegung und schützt im Wesentlichen die Verbindungsschnittstelle 785 vor Rissbildung. Die richtige Anordnung des Gelenkeffekts fördert eine derartige Rissumlenkung. Die Positionierung des Gelenkeffekts innerhalb der Kerbgrundöffnung 803 und vorzugsweise innerhalb des Kerbgrundschlitzes 805 bietet die beste Möglichkeit, dass Risse in die Aluminium-Schweißlinse 787 einlenken. Eine weitere Verbesserung der mechanischen Leistung wird durch den Gelenkeffekt durch die erhöhte Verformung des Stahlwerkstücks 764 erreicht, die den Winkel der Verbindungsschnittstelle 785 angrenzend an den Kerbgrundschlitz 805 vergrößert und damit die Möglichkeit der Rissverformung in und durch die Aluminium-Schweißlinse 787 verbessert. Die Stelle des Gelenkeffekts und die erhöhte Verformung des Stahlwerkstücks 764 kann durch das Positionieren des äußersten ringförmigen Stegs 38'',138'', 238'', 338'', 438''des zentralen Kuppelabschnitts 30, 130, 230, 330, 430 an der Schweißfläche 14, 114, 214, 314, 414 gesteuert werden.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2015/0053655 [0059]
US 2017/0106466 [0059]

Claims

Schweißelektrode, umfassend: einen Körper mit einem vorderen Ende und einem gegenüberliegenden hinteren Ende; und eine Schweißfläche, auf dem vorderen Ende des Körpers getragen wird, wobei die Schweißfläche einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt umfasst, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt und sich von einem Außenumfang der Schweißfläche nach oben und radial nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt erstreckt, wobei der zentrale Kuppelabschnitt eine Basiskuppelfläche und eine Reihe von radial beabstandeten, ringförmigen Stegen aufweist, wobei jede der Reihen von radial beabstandeten, ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt von der Basiskuppelfläche nach außen ragt und eine zentrale Achse der Schweißfläche umgibt, wobei die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt einen innersten ringförmigen Steg beinhaltet, welcher der Mittelachse der Schweißnaht am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg, welcher am weitesten von der Mittelachse der Schweißnaht entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt den Plandurchmesser von dem innersten ringförmigen Steg zum äußersten ringförmigen Steg erhöht, wobei der äußerste ringförmige Steg auf dem zentralen Kuppelabschnitt eine radiale innere Seitenfläche und eine radiale äußere Seitenfläche aufweist, wobei sich die radiale äußere Seitenfläche des äußersten ringförmigen Steges auf dem zentralen Kuppelabschnitt unterhalb der Basiskuppelflächenfläche bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche erstreckt.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der zentrale Kuppelabschnitt einen Plandurchmesser im Bereich von 3 mm bis 12 mm aufweist, worin jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt von der Basiskuppelfläche nach außen bis zu einer Steghöhe im Bereich von 20 µm bis 500 µm ragt, und worin die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt zwischen zwei und fünf ringförmige Stege umfasst.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der Schulterabschnitt eine Basisschulterfläche und ein oder mehrere ringförmige Oberflächenmerkmale aufweist, von denen jedes nach innen in die Basisschulterfläche eindringt oder von dieser nach außen ragt und den zentralen Kuppelabschnitt umgibt.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der Schulterabschnitt eine Basisschulterfläche aufweist, die um einen Abstand von 0,05 mm bis 1,0 mm unter die Basiskuppelfläche des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt wird.
Schweißelektrode nach Anspruch 4, worin der Schulterabschnitt eine Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen beinhaltet, die zwischen einem radialen Außenabschnitt der Basisschulterfläche, der angrenzend an den Außenumfang der Schweißnaht angeordnet ist, und einem radialen Innenabschnitt der Basisschulterfläche, der angrenzend an die radiale äußere Seitenfläche des äußersten ringförmigen Steges des zentralen Kuppelabschnitts angeordnet ist und an diese angrenzt, angeordnet sind, wobei jede der Reihen von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt von der Basisschulterfläche nach außen ragt und den zentralen Kuppelabschnitt umschließt, wobei die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt einen innersten ringförmigen Steg, der dem zentralen Kuppelabschnitt am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg, der am weitesten vom zentralen Kuppelabschnitt entfernt ist, beinhaltet, wobei die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem Schulterabschnitt durch dazwischenliegende Abschnitte der Basisschulterfläche getrennt ist und sich der Plandurchmesser vom innersten ringförmigen Steg zum äußersten ringförmigen Steg auf dem Schulterabschnitt vergrößert.
Schweißelektrode nach Anspruch 4, worin der Schulterabschnitt eine Reihe von radial beabstandeten Ringnuten beinhaltet, wobei jede der Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt nach innen in die Basisschulterfläche eindringt und den zentralen Kuppelabschnitt umgibt, wobei die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt eine innerste Ringnut, die dem zentralen Kuppelabschnitt am nächsten liegt, und eine äußerste Ringnut, die am weitesten von dem zentralen Kuppelabschnitt entfernt ist, beinhaltet, wobei die innerste Ringnut angrenzend an den zentralen Kuppelabschnitt und teilweise durch die radiale äußere Seitenfläche der äußersten Ringnut des zentralen Kuppelabschnitts definiert ist, wobei die äußerste Ringnut angrenzend an einen radialen Außenabschnitt der Basisschulterfläche ist, der sich radial nach innen vom Außenumfang der Schweißnaht zur äußersten Ringnut auf dem Schulterabschnitt erstreckt, und wobei die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt durch Zwischenabschnitte der Basisschulterfläche getrennt ist und sich der Plandurchmesser von der innersten Ringnut zur äußersten Ringnut auf dem Schulterabschnitt erhöht.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, worin der Schulterabschnitt eine Basisschulterfläche beinhaltet, die nicht unter die Basiskuppelflächenfläche des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt wird, und ferner eine Reihe von radial beabstandeten Ringnuten beinhaltet, wobei jede der Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt nach innen in die Basisschulterfläche eindringt und den zentralen Kuppelabschnitt umgibt, wobei die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt eine innerste Ringnut, die dem zentralen Kuppelabschnitt am nächsten liegt, und eine äußerste Ringnut, die am weitesten von dem zentralen Kuppelabschnitt entfernt ist, beinhaltet, wobei die innerste Ringnut angrenzend an den zentralen Kuppelabschnitt und teilweise durch die radiale äußere Seitenfläche der äußersten Ringnut des zentralen Kuppelabschnitts definiert ist, wobei die äußerste Ringnut angrenzend an einen radialen Außenabschnitt der Basisschulterfläche ist, der sich radial nach innen vom Außenumfang der Schweißnaht zur äußersten Ringnut auf dem Schulterabschnitt erstreckt, und wobei die Reihe von radial beabstandeten Ringnuten auf dem Schulterabschnitt durch Zwischenabschnitte der Basisschulterfläche getrennt ist und sich der Plandurchmesser von der innersten Ringnut zur äußersten Ringnut auf dem Schulterabschnitt erhöht.
Schweißelektrode, umfassend: einen Körper mit einem vorderen Ende und einem gegenüberliegenden hinteren Ende; und eine Schweißfläche, auf dem vorderen Ende des Körpers getragen wird, wobei die Schweißfläche einen zentralen Kuppelabschnitt und einen Schulterabschnitt umfasst, der den zentralen Kuppelabschnitt umgibt und sich von einem Außenumfang der Schweißfläche nach oben und radial nach innen bis zum zentralen Kuppelabschnitt erstreckt, worin der zentrale Kuppelabschnitt eine Basiskuppelfläche und eine Reihe von radial beabstandeten, ringförmigen Stegen aufweist, wobei jede der Reihen von radial beabstandeten, ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt von der Basiskuppelfläche nach außen ragt und eine zentrale Achse der Schweißfläche umgibt, wobei die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt einen innersten ringförmigen Steg beinhaltet, welcher der Mittelachse der Schweißnaht am nächsten liegt, und einen äußersten ringförmigen Steg, welcher am weitesten von der Mittelachse der Schweißnaht entfernt ist, sodass die Reihe von radial beabstandeten ringförmigen Stegen auf dem zentralen Kuppelabschnitt den Plandurchmesser von dem innersten ringförmigen Steg zum äußersten ringförmigen Steg erhöht, wobei der äußerste ringförmige Steg auf dem zentralen Kuppelabschnitt eine radiale innere Seitenfläche und eine radiale äußere Seitenfläche aufweist, wobei sich die radiale äußere Seitenfläche des äußersten ringförmigen Steges auf dem zentralen Kuppelabschnitt unterhalb der Basiskuppelflächenfläche bis zum Schulterabschnitt der Schweißfläche erstreckt und eine Höhe aufweist, die größer als eine Höhe der radialen inneren Seitenfläche ist; worin der Schulterabschnitt eine Basisschulterfläche aufweist und ein oder mehrere ringförmige Oberflächenmerkmale beinhaltet, von denen jedes nach innen in die Basisschulterfläche eindringt oder von dieser nach außen ragt und den zentralen Kuppelabschnitt umgibt.
Schweißelektrode nach Anspruch 8, worin das eine oder die mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale eine Nut beinhalten, die nach innen in die Basisschulterfläche eindringt und an den zentralen Kuppelabschnitt angrenzt und teilweise durch die radiale äußere Seitenfläche des äußersten ringförmigen Stegs des zentralen Kuppelabschnitts definiert ist.
Schweißelektrode nach Anspruch 8, worin die Basisschulterfläche unter die Basiskuppelfläche des zentralen Kuppelabschnitts gedrückt wird und einen radialen Innenabschnitt beinhaltet, der angrenzend an und zusammenhängend mit der radialen äußeren Seitenfläche des äußersten ringförmigen Stegs des zentralen Kuppelabschnitts angeordnet ist, und worin das eine oder die mehreren ringförmigen Oberflächenmerkmale einen ringförmigen Steg beinhalten, der von der Basisschulterfläche des Schulterabschnitts nach außen ragt.