DE102019109224A1

DE102019109224A1 - Widerstandspunktlöten von Werkstückstapeln mit einem oder mehreren dünnen Stahlwerkstücken

Info

Publication number: DE102019109224A1
Application number: DE102019109224.8A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang; Michael J. Karagoulis; Zhenke Teng
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: CN110369817B; CN110369817A; DE102019109224B4; US20190314914A1; US11318548B2

Abstract

Verfahren zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels, das ein erstes Werkstück aus dünnem Stahl und ein zweites Werkstück aus dünnem Stahl umfasst. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Ein erster Schritt umfasst das Aufbringen eines Füllmaterials auf eine Oberfläche des ersten Werkstücks aus dünnem Stahl. Ein zweiter Schritt umfasst das Platzieren einer Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks, um an das Füllmaterial anzugrenzen. Ein dritter Schritt umfasst das Festklemmen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode an dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück und über dem Füllmaterial. Ein vierter Schritt umfasst das Durchleiten von elektrischem Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode und somit durch das Füllmaterial. Und ein fünfter Schritt umfasst das Unterbrechen des Durchflusses des elektrischen Stroms zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Zusammenfügen von Metallwerkstücken und insbesondere auf das Widerstandspunktlöten von Stahlwerkstücken, um dazwischen eine Lötverbindung herzustellen.
Widerstandspunktlöten ist ein Verfahren, bei dem metallische Werkstücke unter Verwendung eines Füllmaterials zusammengefügt werden. Im Allgemeinen wird das Füllmaterial zwischen den metallischen Werkstücken angeordnet und durch die Hitze geschmolzen, die erzeugt wird, wenn das Füllmaterial für den Fluss von elektrischem Strom, der durch dieses fließt, einen Widerstand bildet.
Die Automobilindustrie verbindet metallische Werkstücke während der Herstellung von Fahrzeugverschlusskomponenten wie Motorhauben, Kofferraumdeckeln und Hebebühnen, dies jedoch weitgehend mittels eines herkömmlichen Widerstandspunktschweißverfahrens, bei dem ein Füllmaterial fehlt. Jedoch sind Herausforderungen aufgetreten, wenn das Widerstandspunktschweißen auf Metallwerkstücken durchgeführt wird, die aus Stahl hergestellt sind und eine geringe Dicke aufweisen.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels mehrere Schritte. Der Werkstückstapel umfasst ein erstes dünnes Stahlwerkstück und ein zweites dünnes Stahlwerkstück. Ein Schritt umfasst das Aufbringen eines Füllmaterials auf eine erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks. Ein weiterer Schritt besteht darin, das zweite dünne Stahlwerkstück zum ersten dünnen Stahlwerkstück zu bringen. Eine zweite Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks grenzt an das Füllmaterial an. Noch ein weiterer Schritt umfasst das Festklemmen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode an dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück an dem Füllmaterial. Ein weiterer Schritt umfasst das Durchleiten von elektrischem Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode und durch das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück. Der elektrische Strom fließt auch durch das Füllmaterial. Und noch ein weiterer Schritt umfasst das Unterbrechen des elektrischen Stromflusses beim Herstellen einer Lötverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen verzinkten Stahlwerkstück.
In einer Ausführungsform hat das erste dünne Stahlwerkstück eine Dickenabmessung, die weniger als ungefähr 0,75 mm beträgt. Und das zweite dünne Stahlwerkstück weist eine Dickenabmessung auf, die weniger als ungefähr 0,75 mm beträgt.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials das Beschichten der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks mit dem Füllmaterial durch thermisches Spritzen.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials das Schichten des Füllmaterials auf der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks durch additive Fertigung.
In einer Ausführungsform umfasst das Schichten des Füllmaterials auf der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks durch einen 3D-Druck.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks das Auftragen des Füllmaterials in Pastenform.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks das Aufbringen des Füllmaterials in Drahtform.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks durch Bereitstellen des Füllmaterials in Scheibenform.
In einer Ausführungsform besteht das Füllmaterial aus einem Basismetallmaterial mit zahlreichen im Basismetallmaterial dispergierten Partikeln. Das Aufbringen des Füllmaterials in Partikelform vor dem Herstellen der Lötverbindung ermöglicht die Beibehaltung einer Dickenabmessung.
In einer Ausführungsform besteht das Füllmaterial aus einem Basismetallmaterial mit zahlreichen im Basismetallmaterial dispergierten Partikeln. Die Partikel ermöglichen eine beibehaltene Spaltabmessung zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche an der Lötverbindung.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Widerstandspunktlötens des Werkstückstapels auch das Ablagern zahlreicher Partikel in einem Basismetallmaterial des Füllmaterials. Die Partikel sind in dem Basismetallmaterial dispergiert.
In einer Ausführungsform werden Partikel im Basismetallmaterial abgelagert, nachdem das Füllmaterial auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks aufgebracht wurde, und bevor die zweite Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks mit dem Füllmaterial verbunden wird.
In einer Ausführungsform werden die Partikel durch thermisches Spritzen in das Basismetallmaterial abgelagert.
In einer Ausführungsform weisen die erste Schweißelektrode, die zweite Schweißelektrode oder sowohl die erste als auch die zweite Schweißelektrode eine Schweißfläche mit einem Krümmungsradius auf, der zwischen ungefähr 25 mm und 50 mm liegt.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels mehrere Schritte. Ein Schritt umfasst das Bereitstellen eines ersten dünnen Stahlwerkstücks und das Bereitstellen eines zweiten dünnen Stahlwerkstücks. Ein anderer Schritt umfasst das Aufbringen eines Füllmaterials auf eine erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks. Ein noch weiterer Schritt umfasst das Ablagern zahlreicher Partikel in das aufgebrachte Füllmaterial. Und ein weiterer Schritt umfasst das Zusammenbringen einer zweiten Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks mit dem Füllmaterial. Und noch ein weiterer Schritt umfasst das Festklemmen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode an dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück, die an das Füllmaterial angrenzen. Die Partikel erleichtern ein beibehaltenes Spaltmaß am Füllmaterial zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche, wenn die erste und die zweite Schweißelektrode dort eine Klemmkraft ausüben. Noch ein weiterer Schritt besteht darin, das Fließen des elektrischen Stroms zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode zu beenden. Und ein weiterer Schritt umfasst das Unterbrechen des elektrischen Stromflusses, um eine Lötverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück herzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials das Schichten des Füllmaterials auf der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks durch additive Fertigung.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks das Auftragen des Füllmaterials in Pastenform.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufbringens des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks das Aufbringen des Füllmaterials in Drahtform.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Ablagerns zahlreicher Partikel in dem aufgebrachten Füllmaterial durch thermisches Spritzen.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels mehrere Schritte. Ein Schritt umfasst das Bereitstellen eines ersten dünnen Stahlwerkstücks und das Bereitstellen eines zweiten dünnen Stahlwerkstücks. Das erste dünne Stahlwerkstück weist eine Dickenabmessung auf, die weniger als ungefähr 0,75 mm beträgt. Das zweite dünne Stahlwerkstück weist eine Dickenabmessung auf, die weniger als ungefähr 0,75 mm beträgt. Ein weiterer Schritt umfasst das Aufbringen eines Füllmaterials auf eine erste Oberfläche des ersten Werkstücks aus dünnem Stahl durch eine additive Fertigung. Noch ein weiterer Schritt umfasst das Ablagern zahlreicher Partikel in das aufgebrachte Füllmaterial durch thermisches Spritzen. Ein weiterer Schritt umfasst das Anlegen einer zweiten Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks an das aufgebrachte Füllmaterial mit den abgelagerten Partikeln. Und noch ein weiterer Schritt umfasst das Festklemmen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode an dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück, die an das Füllmaterial angrenzen. Die Partikel erleichtern ein beibehaltenes Spaltmaß am Füllmaterial zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche, wenn die erste und die zweite Schweißelektrode dort eine Klemmkraft ausüben. Noch ein weiterer Schritt besteht darin, das Fließen des elektrischen Stroms zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode zu beenden. Und ein weiterer Schritt umfasst das Unterbrechen des elektrischen Stromflusses, um eine Lötverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück herzustellen.
Figurenliste
Ein oder mehrere Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei gilt:

1 ist eine Seitenansicht einer Widerstandspunktlötanordnung, wobei ein Werkstückstapel in einer Schnittansicht dargestellt ist,
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode, die in der Widerstandspunktlötanordnung von 1 verwendet werden kann,
3 ist eine Mikrostruktur einer Lötverbindung eines Werkstückstapels, die ein Paar dünner Stahlwerkstücke enthält,
FIG. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels, der ein Paar dünner Stahlwerkstücken enthält,
5 ist ein Liniendiagramm, das die Zugscherfestigkeit von drei Proben eines Werkstückstapels mit einem Paar von Stahlwerkstücken darstellt, die jeweils eine Dicke von 0,4 mm) aufweisen, wobei die Zugverlängerung in Millimetern (mm) auf der X-Achse bezeichnet und die Last in Newton (N) auf der Y-Achse bezeichnet wird, und
6 ist ein Liniendiagramm, das die Zugscherfestigkeit von drei Proben eines Werkstückstapels mit einem Paar von Stahlwerkstücken darstellt, die jeweils eine Dicke von 0,6 mm aufweisen, wobei die Zugverlängerung in Millimetern (mm) auf der x-Achse bezeichnet ist und die Last in Newton (N) auf der y-Achse angegeben ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahren und Anordnungen beheben die Nachteile, die beim Verbinden von Werkstückstapeln aus dünnen Stahlwerkstücken auftreten. Unter Bezugnahme auf mehrere Ausführungsformen wird ein Widerstandspunktlötverfahren beschrieben, das die dünnen Stahlwerkstücke effizienter und effektiver verbindet als bisher möglich. Eine verbesserte Verbindungsqualität und eine verbesserte Verbindungskonsistenz unter mehreren Verbindungen werden verwirklicht, und eine verlängerte Lebensdauer der zugehörigen Schweißelektroden wird realisiert. Es wurde festgestellt, dass die resultierenden Verbindungen eine erhöhte Festigkeit aufweisen. Diese Fortschritte sowie andere, die an anderer Stelle beschrieben sind, sind teilweise auf die niedrigeren Temperaturen, die mit dem Widerstandspunktlötprozess im Vergleich zu herkömmlichen Widerstandspunktschweißverfahren sowie niedrigere lokale Temperaturen verbunden sind, auf die Zugabe eines Füllmaterials zurückzuführen, und, in einigen Ausführungsformen, auf eine leichter auflösbare Hartlotdicke und Spaltgröße zwischen den dünnen Stahlwerkstücken an der Verbindungsstelle. Darüber hinaus eignet sich das Widerstandspunktlötverfahren in einer Massenproduktionsumgebung, wie diese in Automobilherstellungsanlagen üblich ist, mehr als bisher bekannte Hartlötverfahren. Während die Verfahren und Anordnungen im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugkomponenten beschrieben werden, werden Fachleute erkennen, dass die Verfahren und Anordnungen nicht darauf beschränkt sind und in anderen Zusammenhängen verwendet werden können, wie unter anderem in der Luft-/Raumfahrt und Schifffahrt, im Eisenbahnbau und in industriellen Ausrüstungen.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Widerstandspunktlötanordnung 10 in einem Verfahren zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels 12 verwendet. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Werkstückstapel 12 ein erstes dünnes Stahlwerkstück 14 und ein zweites Stahlwerkstück 16, die sich an einer Lötstelle 18 überlappen und überlagern. Das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 können aus dem gleichen Stahlmaterial relativ zueinander oder aus verschiedenen Stahlmaterialien relativ zueinander bestehen. Das Stahlmaterial der erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 können verschiedene Zusammensetzungen aufweisen und können abhängig von der jeweiligen Anwendung verschiedene Formen annehmen. In einem Beispiel bestehen das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 aus einem kohlenstoffarmen Stahlblech, das der Materialspezifikation GMW2 HD entspricht, wie vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung angegeben, in anderen Beispielen sind jedoch auch andere Zusammensetzungen möglich.
Das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 haben dünnere Stärken in dem Sinne, dass eine erste Dicke 20 des ersten dünnen Stahlwerkstücks 14 weniger als ungefähr 0,75 mm beträgt und eine zweite Dicke 22 des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 16 beträgt ebenfalls weniger als ungefähr 0,75 mm. In anderen Beispielen können die erste und die zweite Dicke 20, 22 Werte haben, die zwischen ungefähr 0,4 mm und 0,75 mm, zwischen ungefähr 0,55 mm und 0,75 mm oder zwischen ungefähr 0,6 mm und 0,75 mm liegen. Ferner können die erste und die zweite Dicke 20, 22 ungefähr 0,4 mm messen, ungefähr 0,55 mm messen, ungefähr 0,6 mm messen oder ungefähr 0,75 mm messen. In anderen Beispielen sind noch andere Bereiche und andere Werte möglich. Die erste und die zweite Dicke 20, 22 können relativ zueinander den gleichen Wert haben oder können einen anderen Wert aufweisen. Das erste dünne Stahlwerkstück 14 hat eine erste Rückfläche 24 und eine erste Stoßfläche 26, und auf ähnliche Weise hat das zweite dünne Stahlwerkstück 16 eine zweite Rückfläche 28 und eine zweite Stoßfläche 30.
Immer noch mit Bezug auf 1 umfasst die Widerstandspunktlötanordnung 10 in dieser Ausführungsform eine erste Schweißelektrode 32 und eine zweite Schweißelektrode 34, die elektrischen Strom zwischen sich und durch den Werkstückstapel 12 und durch das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 an der Lötstelle 18 hindurchleiten. Jede der ersten und zweiten Schweißelektroden 32, 34 wird von einer Schweißpistole eines geeigneten Typs getragen, beispielsweise einer Typ-C- oder einer Typ-X-Schweißpistole. Eine Spannungsversorgung 36 liefert elektrischen Strom an die erste und zweite Schweißelektrode 32, 34 gemäß einem programmierten Schweißzeitplan, der von einer Schweißsteuerung 38 verwaltet wird. Die Schweißpistole kann mit Kühlmittelleitungen versehen sein, um eine Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, an jede der ersten und zweiten Schweißelektroden 32, 34 zu liefern, wie dieses für Widerstandspunktlötvorgänge erforderlich ist. Die Schweißpistole umfasst einen ersten Pistolenarm 40 und einen zweiten Pistolenarm 42. Ein erster Schaft 44 des ersten Pistolenarms 40 sichert die erste Schweißelektrode 32 und ein zweiter Schaft 46 des zweiten Pistolenarms 42 sichert die zweite Schweißelektrode 34.
Unter Bezugnahme auf 2 können die erste und die zweite Schweißelektrode 32, 34 eine ähnliche Konstruktion aufweisen und werden im Allgemeinen zur Verwendung mit einem Stahlwerkstück, wie dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16, hergestellt. Im Allgemeinen und in einem Beispiel weisen die erste und die zweite Schweißelektrode 32, 34 einen Elektrodenkörper 48 und eine Schweißfläche 50 auf. Die Schweißfläche 50 ist der Abschnitt der ersten und zweiten Schweißelektroden 32, 34, die während des Widerstandspunktlötens Kontakt mit der ersten und der zweiten Rückfläche 24, 28 haben. Die Schweißfläche 50 hat eine Schweißflächenoberfläche 52, die im Allgemeinen planar oder kugelförmig gewölbt sein kann. Wenn diese kugelförmig gewölbt ist, hat die Schweißflächenoberfläche 52 ein kugelförmiges Profil mit einem Krümmungsradius, der in einem Bereich von ungefähr 25 mm bis 100 mm, ungefähr 25 mm bis 50 mm oder ungefähr 25 mm bis 40 mm liegt. Ferner kann der Krümmungsradius ungefähr 25 mm, ungefähr 40 mm oder ungefähr 50 mm betragen. In anderen Beispielen sind noch andere Bereiche und andere Werte möglich.
In der Automobilindustrie sowie in anderen Industriezweigen wurde das Verbinden von Stahlwerkstücken in Werkstückstapeln am häufigsten durch Widerstandspunktschweißverfahren und nicht durch Widerstandspunktlötverfahren ausgeführt. Obwohl produktiv, wurden in bestimmten Fällen Mängel gefunden, in denen das Widerstandspunktschweißen auf Stahlwerkstücken durchgeführt wird, die eine dünnere Dicke aufweisen, wie beispielsweise das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16. Suboptimale Schweißnahtqualitäten wurden in Widerstandspunktschweißverbindungen in dünneren Stahlwerkstücken beobachtet, und Inkonsistenzen, wie beispielsweise unterschiedliche Verbindungsgrößen, wurden bei mehreren Widerstandspunktschweißverbindungen mit dünneren Stahlwerkstücken beobachtet. Darüber hinaus wurde die Lebensdauer der Schweißelektroden, die beim Widerstandspunktschweißen dünnerer Stahlwerkstücke verwendet werden, im Vergleich zur Verwendung dickerer Stahlwerkstücke vermindert. Ohne auf eine einzelne Theorie der Verursachung beschränkt zu sein, wird angenommen, dass diese Bedingungen die Folge erhöhter Temperaturen sind, die beim Widerstandspunktschweißen dünnerer Stahlwerkstücke auftreten, bei denen es sich gezeigt hat, dass diese an einer Widerlagerschnittstelle zwischen den Schweißflächen 52 der Schweißelektroden und den Rückflächen 24, 28 der Werkstücke ungefähr 1500 Grad Celsius (°C) erreichen. Diese gleichen erhöhten Temperaturen werden nicht immer bei dickeren Stahlwerkstücken festgestellt, da sich typischerweise nicht viel Wärme auf der Widerlagerschnittstelle zwischen den Schweißelektroden und Werkstücken ausbreitet.
Die Widerstandspunktlötverfahren für dünnere Stahlwerkstücke wurden andererseits nicht in Massenproduktionsumgebungen eingesetzt, aufgrund des Unvermögens eine geeignete Füllmaterialdicke und Spaltgröße zwischen den dünneren Stahlwerkstücken an der Lötstelle aufrechterhalten, und, unter anderen möglichen Gründen, aufgrund von Porositäten, die in der etablierten Lötverbindung beobachtet werden. Die Mikrostruktur von 3 zeigt Porositäten 54 in einer Lötverbindung 56, die zwischen einem Paar von Stahlwerkstücken 58, 60, die aus dem mit GMW2 HD bezeichneten kohlenstoffarmen Stahl bestehen, hergestellt wurde. Die Stahlwerkstücke 58, 60 weisen jeweils eine Dicke von ungefähr 0,55 mm auf. Ein ungleichmäßiger vertikaler Spalt 62 eines Füllstoffs 64 zwischen den Stahlwerkstücken 58, 60 ist auch in der Darstellung der 3 zu erkennen. Ungefähre Verfahrensparameter, die für die Lötverbindung 56 ausgeführt werden, umfassten eine Schweißelektroden-Klemmlast von 360 Pfund (lbs.), eine Schweißzeit von zwölf ms bei einem Schweißstrom von 11-15 kA und eine Schweißzeit von 8 (acht) ms bei einem Schweißstrom von 15 kA. Es wurde festgestellt, dass die Porositäten 54 und der ungleichmäßige Spalt 62 zu einer suboptimalen Verbindungsqualität und -festigkeit geführt haben und daher bis heute die Verwendung von Widerstandspunktlötprozessen für dünnere Stahlwerkstücke in Massenproduktionsumgebungen verhindert haben.
Der hierin beschriebene Widerstandspunktlötprozess behebt diese Nachteile. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Widerstandspunktlötprozess mehr, weniger und/oder andere Schritte und Parameter als die in dieser Beschreibung beschriebenen aufweisen, und die Schritte können in anderen Reihenfolgen als beschrieben durchgeführt werden. In der Ausführungsform von 4 umfasst beispielsweise ein Widerstandspunktlötverfahren 66 eine Anzahl von Schritten. Ein erster Schritt 68 umfasst das Bereitstellen des ersten dünnen Stahlwerkstücks 14. Das erste dünne Stahlwerkstück 14 kann in den zuvor beschriebenen Formen vorgesehen werden, einschließlich der ersten Dicke 20 von weniger als ungefähr 0,75 mm. Der erste Schritt 68 kann auch das Bereitstellen des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 16 umfassen. Das zweite dünne Stahlwerkstück 16 kann ebenfalls in den zuvor beschriebenen Formen bereitgestellt werden, einschließlich der zweiten Dicke 22 von weniger als ungefähr 0,75 mm.
Ein zweiter Schritt 70 des Widerstandspunktlötverfahrens 66 umfasst das Aufbringen eines Füllmaterials 72 auf eine erste Oberfläche 74 (in diesem Fall die erste Stoßfläche 26) des ersten dünnen Stahlwerkstücks 14. Das Füllmaterial 72 weist ein Basismetallmaterial 76 auf, das aus verschiedenen Metallmaterialien zusammengesetzt sein kann, was zum Teil von den Materialzusammensetzungen des ersten und des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 14, 16 und der Kompatibilität zwischen diesen abhängt. Wenn das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt sind, kann beispielsweise das Basismetallmaterial 76 des Füllmaterials 72 eine Zusammensetzung von Kupfer oder Kupfer-Zink aufweisen, kann eisen-, gold-, nickel- oder silberbasiert sein. Noch andere Zusammensetzungen sind in anderen Ausführungsformen möglich. Das Füllmaterial 72 kann auf die erste Oberfläche 74 mittels verschiedener Anwendungstechniken und -verfahren und in verschiedenen Formen aufgetragen werden. In einer Ausführungsform wird das Füllmaterial 72 auf die erste Oberfläche 74 durch einen thermischen Spritzprozess aufgebracht, bei dem das Füllmaterial 72 in einem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand auf die erste Oberfläche 74 gesprüht wird. Zu den Arten von thermischen Spritzverfahren, die in einer gegebenen Ausführungsform geeignet sein können, gehören unter anderem Plasmaspritzen, Drahtlichtbogenspritzen und Laserplasmaspritzen. Weiterhin sind in anderen Ausführungsformen andere Arten von thermischem Spritzen möglich. Ferner kann das Füllmaterial 72 über ein additives Herstellungsverfahren auf die erste Oberfläche 74 geschichtet werden. In einer Ausführungsform wird das Füllmaterial 72 durch 3D-Drucken schichtweise zu der ersten Oberfläche 74 hinzugefügt. In anderen Ausführungsformen sind noch andere Arten von additiven Herstellungsverfahren möglich. Teilweise durch die Anwendungstechniken und -verfahren diktiert, kann das Füllmaterial 72 in der Anwendung unterschiedliche Formen annehmen. In verschiedenen Ausführungsformen wird das Füllmaterial 72 auf die erste Oberfläche 74 in einer Pastenform aufgebracht, auf die erste Oberfläche 74 in einer Drahtform aufgebracht oder auf die erste Oberfläche 74 in einer Scheibenform aufgebracht. In dem Beispiel für eine Scheibe kann die Scheibe auf die erste Oberfläche 74 aufgebracht werden, indem diese über ein mechanisches Mittel angeordnet wird, beispielsweise indem diese von einer Roboterkomponente platziert wird. Weiterhin sind in anderen Ausführungsformen andere Formen möglich.
In dem zweiten Schritt 70 des Widerstandspunktlötverfahrens 66 kann das Füllmaterial 72 in verschiedenen Mustern und mit unterschiedlichen Dicken auf die erste Oberfläche 74 aufgebracht werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das Füllmaterial 72 in einem ringförmigen Muster konfiguriert sein (siehe beispielsweise das in 4 dargestellte ringförmige Muster und unterhalb der Darstellung des zweiten Schrittes 70 angeordnet), kann in einem linienförmigen Muster konfiguriert sein, kann in einem kreuzförmigen Muster konfiguriert sein, kann in einem kompakten Muster konfiguriert sein und/oder kann in einem gepunkteten Muster konfiguriert sein. In anderen Ausführungsformen sind noch andere Muster möglich. Unabhängig von der Musterkonfiguration kann die genaue Dicke des Füllmaterials 72, die in diesem Schritt angewendet wird, neben anderen möglichen Einflüssen darauf beruhen, dass eine gewünschte Füllmaterialdicke und Spaltgröße zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 in nachfolgenden Schritten des Widerstandspunktlötverfahrens 66, wie weiter nachfolgend beschrieben, erhalten und beibehalten wird. Im zweiten Schritt 70 kann eine Dicke 77 des Füllmaterials 72 einen Wert zwischen ungefähr 0,05 mm und 2,0 mm aufweisen. In anderen Ausführungsformen sind noch andere Bereiche möglich. Auf gleiche Weise kann die genaue Menge des in diesem Schritt angewendeten Füllmaterials 72 - unter anderen möglichen Einflüssen - auf dem Aufrechterhalten und Halten einer gewünschten Füllstoffdicke und Spaltgröße zwischen dem ersten und zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 in nachfolgenden Schritten des Widerstandspunktlötverfahrens 66 basieren.
Unter weiterer Bezugnahme auf 4, kann das Füllmaterial 72 in einigen Ausführungsformen zusätzlich zu dem Basismetallmaterial 76 zahlreiche Partikel 78 aufweisen, die in dem Basismetallmaterial 76 dispergiert sind. Die Partikel 78 werden zumindest teilweise eingeführt, um die Aufrechterhaltung und Beibehaltung einer gewünschten Abmessung der Füllstoffdicke und Spaltgröße zwischen dem ersten und zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 in nachfolgenden Schritten des Widerstandspunktlötverfahrens 66 zu verbessern. Die Partikel 78 können aus verschiedenen Metallmaterialien bestehen, teilweise abhängig von der Materialzusammensetzung des ersten und des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 14, 16 und/oder der Materialzusammensetzung des Grundmetallmaterials 76, je nach Kompatibilität zwischen diesen. In einem Beispiel bestehen die Partikel 78 aus Wolframkarbid (WC), jedoch sind in anderen Ausführungsformen noch andere Zusammensetzungen möglich. Die Dispersion der Teilchen 78 innerhalb des Basismetallmaterials 76 kann auf verschiedene Arten erfolgen. In einer Ausführungsform werden die Partikel 78 gleichzeitig in das Basismetallmaterial 76 dispergiert, wenn das Füllmaterial 72 auf die erste Oberfläche 74 des ersten dünnen Stahlwerkstücks 14 aufgebracht wird. In einer anderen Ausführungsform werden die Partikel 78 im Füllmaterial 72 abgelagert, nachdem das Füllmaterial 72 auf die erste Oberfläche 74 aufgebracht wurde und noch in einem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand sein kann. Hier kann die Ablagerung der Partikel 78 einen separaten Schritt des weiteren Widerstandspunktlötverfahrens 66 darstellen. Die Partikel 78 können mittels verschiedener Ablagerungstechniken und -verfahren im Basismetallmaterial 76 des Füllmaterials 72 abgelagert werden. In einer Ausführungsform werden die Partikel 78 über ein thermisches Spritzverfahren im Basismetallmaterial 76 abgelagert, bei dem die Partikel 78 selbst in einem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand in das Basismetallmaterial 76 gespritzt werden. Zu den Arten von thermischen Spritzverfahren, die in einer gegebenen Ausführungsform geeignet sein können, gehören unter anderem Plasmaspritzen, Drahtlichtbogenspritzen und Laserplasmaspritzen. Weiterhin sind in anderen Ausführungsformen andere Arten von thermischem Spritzen möglich.
Ein dritter Schritt 80 des Widerstandspunktlötverfahrens 66 umfasst das Anordnen des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 16 bei dem ersten dünnen Stahlwerkstück 14 und über dem aufgebrachten Füllmaterial 72. Eine zweite Oberfläche 82 (in diesem Fall die zweite Stoßfläche 30) des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 16 stößt direkt an das Füllmaterial 72 und grenzt dieses an. In diesem Schritt überlappen sich das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16, wobei sich das Füllmaterial 72 dazwischen befindet. Ein vierter Schritt 84 des Widerstandspunktlötverfahrens 66 umfasst das Festklemmen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 32, 34 an dem ersten und zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 an der Lötstelle 18 und über dem dazwischen geschichteten Füllmaterial 72. In diesem Schritt üben die erste und die zweite Schweißelektrode 32, 34 eine Klemmlast auf das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 und somit auf das Füllmaterial 72 aus. Ferner umfasst ein fünfter Schritt 86 des Widerstandspunktlötverfahrens 66 das Leiten von elektrischem Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 32, 34 und durch das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 und durch das Füllmaterial 72. Und ein sechster Schritt 88 des Widerstandspunktlötverfahrens 66 umfasst das Unterbrechen und Beenden des Durchflusses des elektrischen Stroms, der zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 32, 34 fließt. Somit wird eine Lötverbindung 90 aus dem Füllmaterial 72 und zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 hergestellt.
Wie beschrieben, behebt das Widerstandspunktlötverfahren 66 die Nachteile, die beim Verbinden dünnerer Stahlwerkstücke wie dem ersten und zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 auftreten. Da Widerstandspunktlötverfahren bei niedrigeren Temperaturen als Widerstandspunktschweißverfahren durchgeführt werden (d. h., in einigen Fällen bis zu 1.200 °C niedriger), werden die zuvor aufgrund erhöhter Temperaturen beobachteten suboptimalen Schweißnahtqualität und Inkonsistenzen beim Widerstandspunktlöten dünnerer Stahlwerkstücke minimiert oder insgesamt durch das Widerstandspunktlötverfahren 66 ausgeschlossen. Darüber hinaus hat sich erwiesen, dass das Hinzufügen des Füllmaterials 72 die lokalen Temperaturen im fünften Schritt 86 an den Widerlagerschnittstellen zwischen den Schweißflächen 52 der ersten und zweiten Schweißelektrode 32, 34 und der ersten und zweiten Rückseite 24, 28 des ersten und des zweiten dünnen Stahlwerkstücks 14, 16 absenkt. Das Füllmaterial 72 erhöht die Anzahl der Stoßflächen, die in dem Werkstückstapel 12 vorhanden sind (d. h., eine erste Stoßschnittstelle wird zwischen der ersten Stoßfläche 26 und der gegenüberliegenden und entgegengesetzten Oberfläche des Füllmaterials 72, und eine zweite Stoßschnittstelle zwischen der zweiten Stoßfläche 30 und ihrer jeweils gegenüberliegenden und entgegengesetzten Fläche des Füllmaterials 72 erzeugt), verglichen mit einem Werkstückstapel, in dem das Füllmaterial 72 fehlt. Die größere Anzahl an Stoßschnittstellen bietet einen größeren elektrischen Widerstand bei dem fünften Schritt 86, der die lokalen Temperaturen erhöhen und konzentrieren kann, und eine Lötverbindung wie die Lötverbindung 90 leichter einleiten und herstellen kann. Ferner kann in mindestens einigen Ausführungsformen ein winziger Spalt zwischen dem Füllmaterial 72 und der jeweiligen ersten und zweiten Stoßfläche 26, 30 an der ersten und der zweiten Stoßschnittstelle vorhanden sein, was wiederum einen größeren elektrischen Widerstand in der fünften Stufe 86 darstellt. In einigen Fällen bedeutet dies, dass ein Schweißplan mit einer kürzeren Schweißstromdauer verwendet werden kann. Die lokalen Temperaturen an den Widerlagerschnittstellen im fünften Schritt 86 können noch auf eine andere Weise gesenkt werden. Die Zugabe des Füllmaterials 72 führt zu einer Erhöhung der Gesamtdicke des Werkstückstapels 12. Ein zentraler Punkt der Wärmeausbreitung wird daher im Gegensatz zu dem zentralen Punkt, der sich an der ersten und zweiten Stoßfläche 26, 30 befindet, an einen zentralen Bereich des Füllmaterials 72 verschoben. Auf diese Weise wird die Höhe der Wärme reduziert, die sich an den Grenzflächen der Stoßgrenzfläche ausbreitet. Entsprechend wird die Lebensdauer der ersten und der zweiten Schweißelektrode 32, 34 nicht so stark verringert und diese leiden unter einem geringeren Maß an Verschleiß, wenn diese beim Widerstandspunktlötverfahren 66 verwendet werden, verglichen mit der Verwendung beim Widerstandspunktschweißen.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Erhalten und Beibehalten einer gewünschten Dickenabmessung des Füllstoffs und der Spaltgröße zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück 14, 16 die Gesamtqualität und -festigkeit der Lötverbindung verbessert. In einem Beispiel können die gewünschte Füllmaterialabmessung und Spaltgröße Werte aufweisen, die zwischen ungefähr 0,01 mm und 2,0 mm liegen, doch andere Wertebereiche sind in anderen Ausführungsformen möglich. Die auf das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück 14, 16 aufgebrachten Klemmlasten, die durch die erste und die zweite Schweißelektrode 32, 34 ausgeübt werden, neigen dazu, die Füllmaterialdicke und die Spaltgröße zu verringern, indem in einigen Fällen das Füllmaterial 72, das noch in einem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand sein kann, gepresst wird. Dies kann zu einer ungleichmäßigeren Dickenabmessung und Spaltgröße der Füllstoffdicke als bevorzugt führen, wie bei dem in der Mikrostruktur von 3 erkennbaren ungleichmäßigen Spalt 62. Das Widerstandspunktlötverfahren 66 verringert diese Tendenz zumindest in einem gewissen Ausmaß durch eine oder mehrere der beschriebenen Ausführungsformen. Den Krümmungsradius der Schweißflächenoberfläche 52 innerhalb der vorstehend dargelegten Bereiche und Werte zu halten, hat sich als hilfreich erwiesen, um die Aufrechterhaltung und Beibehaltung einer gewünschten Füllmaterialdickenabmessung und Spaltgröße zu unterstützen. Ebenso wurde die Musterkonfiguration des Füllmaterials 72 vorbereitet, die Dicke des Füllmaterials 72 und/oder die Menge des Füllmaterials 72 aufgebracht, was sich einzeln oder in Kombination als hilfreich erwiesen hat, um die Aufrechterhaltung und Beibehaltung einer gewünschten Dickenabmessung des Füllmaterials und der Spaltgröße zu unterstützen. Auch die Partikel 78 haben sich in dieser Hinsicht als hilfreich erwiesen. Darüber hinaus ist der unerwünschte Einfluss von Porositäten in einer etablierten Lötverbindung weniger ausgeprägt, wenn eine gewünschte Dicke des Füllmaterials und die Spaltgröße erhalten und beibehalten werden. Auf diese Weise wird ein leichter zu handhabender Widerstandspunktlötprozess erreicht und kann leichter in Massenproduktionsumgebungen übernommen werden.
5 und 6 zeigen eine gleichbleibende Festigkeit der Lötverbindungen. In dem Liniendiagramm von 5 bezeichnet eine X-Achse 100 eine Dehnung in Millimetern (mm) und eine Y-Achse 200 eine Belastung in Newton (N) für die Lötverbindungen unter einer angelegten quasi-statischen Belastung. Muster 1 und 3 in 5 verfügen über eine Lötverbindung zwischen einem Paar von Stahlwerkstücken, die aus kohlenstoffarmem Stahl mit der Bezeichnung GMW2 HD (feuerverzinkte Beschichtung) bestehen. Die Stahlwerkstücke haben jeweils eine Dicke von ungefähr 0,4 mm. Ungefähre Verfahrensparameter, die für die Lötverbindungen der Proben 1 und 3 ausgeführt wurden, umfassen eine Schweißelektrodenlast von 360 Pfund (lbs.), eine Schweißzeit von 12 ms bei einem Schweißstrom von 11-15 kA und eine Schweißzeit von acht ms bei einem Schweißstrom von 15 kA. Die maximale Belastung für das Muster 1 betrug 1,53 kN, und die Zugdehnung bei der maximalen Belastung für das Muster 1 betrug 0,56 mm, und die maximale Belastung für das Muster 3 betrug 1,47 kN und die Zugdehnung bei der maximalen Belastung für das Muster 3 betrug 0,53 mm. Bei dem Muster 2 fehlte dagegen eine Lötverbindung. Die maximale Belastung für das Muster 2 betrug 1,64 kN und die Zugdehnung bei der maximalen Belastung für das Muster 2 betrug 0,65 mm. In dem Liniendiagramm von 6 bezeichnet eine X-Achse 300 eine Dehnung in Millimetern (mm) und eine Y-Achse 400 eine Belastung in Newton (N). Die Muster 1, 2 und 3 in 6 hatten alle eine Lötverbindung zwischen einem Paar von Stahlwerkstücken, die aus kohlenstoffarmem Stahl mit der Bezeichnung GMW2 HD (feuerverzinkte Beschichtung) bestehen. Die Stahlwerkstücke hatten jeweils eine Dicke von ungefähr 0,6 mm. Ungefähre Verfahrensparameter, die für die Lötverbindungen der Muster 1, 2 und 3 ausgeführt wurden, umfassen eine Schweißelektrodenlast von 360 Pfund (lbs.), eine Schweißzeit von 12 ms bei einem Schweißstrom von 11-15 kA und eine Schweißzeit von acht ms bei einem Schweißstrom von 15 kA.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der Offenbarung ist. Die Offenbarung ist nicht auf die besondere(n) hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung gemachten Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung oder der Definition der in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, außer dort, wo ein Begriff oder Ausdruck ausdrücklich vorstehend definiert wurde. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der/den ausgewiesenen Ausführungsform(en) sind für Fachleute offensichtlich. Alle diese anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollten im Geltungsbereich der angehängten Patentansprüche verstanden werden.
Wie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „z. B.“, „zum Beispiel“, „beispielsweise“, „wie zum Beispiel“, „wie“ und „gleich“ sowie die Verben „umfassen“, „aufweisen“, „haben“ und ihre anderen Verbformen, wenn diese in Verbindung mit einer Auflistung einer oder mehrerer Komponenten oder anderen Gegenständen verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, d. h., die Auflistung ist nicht so zu sehen, dass andere, zusätzliche Komponenten oder Elemente ausgeschlossen sind. Andere Begriffe sind in deren weitesten vernünftigen Sinn auszulegen, es sei denn, diese werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Verfahren zum Widerstandspunktlöten eines Werkstückstapels, das ein erstes Werkstück aus dünnem Stahl und ein zweites Werkstück aus dünnem Stahl umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Aufbringen eines Füllmaterials auf eine erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks, Anlegen des zweiten dünnen Stahlwerkstücks an das erste dünne Stahlwerkstück, Anlegen einer zweiten Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks an das Füllmaterial, Festklemmen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode an dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück, die an das Füllmaterial angrenzen, Durchleiten von elektrischem Strom zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode und durch das erste und das zweite dünne Stahlwerkstück sowie durch das Füllmaterial, und Unterbrechen des Durchflusses des elektrischen Stroms zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten dünnen Stahlwerkstück.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des Füllmaterials das Beschichten der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks mit dem Füllstoff durch thermisches Spritzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des Füllmaterials das Schichten des Füllmaterials auf der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks durch additive Fertigung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Schichten des Füllmaterials auf der ersten Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks 3D-Drucken umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks das Aufbringen des Füllmaterials in Pastenform umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des Füllmaterials auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks das Aufbringen des Füllmaterials in Drahtform umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial aus einem Basismetallmaterial mit einer Vielzahl von Partikeln besteht, die innerhalb des Basismetallmaterials dispergiert sind, wobei die Vielzahl von Partikeln das Aufbringen des Füllmaterials ermöglicht, um die vor dem Herstellen der Lötverbindung bestehende Dicke beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Ablagern einer Vielzahl von Partikeln in einem Basismetallmaterial des Füllmaterials, wobei die Vielzahl von Partikeln innerhalb des Basismetallmaterials dispergiert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Partikeln in das Basismetallmaterial abgelagert wird, nachdem das Füllmaterial auf die erste Oberfläche des ersten dünnen Stahlwerkstücks aufgebracht wurde und bevor die zweite Oberfläche des zweiten dünnen Stahlwerkstücks an das Füllmaterial angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ablagern der Vielzahl von Partikeln in das Basismetallmaterial des Füllmaterials ein thermisches Spritzen der Vielzahl von Partikel umfasst.