DE102019134727A1 - Schweißelektrode und Verwendung der Schweißelektrode - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode zum Widerstandsschweißen, gebildet aus einem aus einem Metall hergestellten Schweißwerkzeug, welches eine mit dem zu schweißenden Werkstück (9) in Kontakt kommende Kontaktfläche (1) aufweist. Zur Vermeidung einer Verklebung zwischen der Kontaktfläche (1) und einem insbesondere aus Aluminium hergestellten Werkstück wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Kontaktfläche (1) aus mit Bor dotiertem Diamant gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode zum Widerstandsschweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Verwendung einer solchen Schweißelektrode.
  • Schweißelektroden zum Widerstandsschweißen, insbesondere zum Widerstandspunktschweißen, sind beispielsweise bekannt aus J.F. Key, T.H. Courtney: Refractory Metal Composite Tips für Resistance-Spot Welding of Galvanized Steel, Welding Research Supplement, 261-266, 1974.
  • Schweißelektroden zum Widerstandspunktschweißen weisen als Schweißwerkzeug üblicherweise eine Kappe auf, welche auf einen Elektrodenhalter einer Widerstandspunktschweißvorrichtung aufsteckbar ist. Zum Rollnahtschweißen wird als Schweißwerkzeug eine Scheibe verwendet. Zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen Stahlblechen sind solche Schweißelektroden beispielsweise aus gesintertem CuAl2O3, aus CuCr- oder CuCrZr-Legierungen hergestellt.
  • In jüngerer Zeit besteht insbesondere in der Automobilindustrie ein Bedarf an der Herstellung von Schweißverbindungen zwischen Aluminiumblechen. Insbesondere bei der Herstellung von Punktschweißverbindungen verkleben nachteiligerweise herkömmliche Schweißelektroden mit den zu verschweißenden Aluminiumblechen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine universelle Schweißelektrode angegeben werden, mit der eine große Anzahl von Widerstandsschweißverbindungen bzw. große Nahtlänge zwischen Metallblechen möglich ist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll eine Verwendung der Schweißelektrode angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Schweißelektrode zum Widerstandsschweißen vorgeschlagen, bei welcher die Kontaktfläche aus mit Bor und/oder Phosphor dotiertem Diamant gebildet ist. - Mit der vorgeschlagenen Schweißelektrode ist es überraschenderweise möglich, mehr als 1.400 Schweißverbindungen, insbesondere Punktschweißverbindungen, zwischen Metallblechen, insbesondere Aluminiumblechen, verklebungsfrei herzustellen. Insbesondere bei der Herstellung einer Punktschweißverbindung zweier Aluminiumbleche scheint es nach dem bisherigen Kenntnisstand so zu sein, dass mittels der erfindungsgemäßen Diamantschicht eine an der Oberfläche der Aluminiumbleche gebildete Passivierungsschicht aus Al2O3 zumindest abschnittsweise mechanisch durchbrochen wird, so dass die Diamantschicht unmittelbar mit dem metallischen Aluminium in Kontakt kommt. Infolgedessen kann der Kontaktwiderstand zwischen der Schweißelektrode und dem Aluminiumblech erheblich reduziert werden. Damit wiederum wird ein Aufschmelzen des Aluminiumblechs in einem Bereich zur Kontaktfläche der Schweißelektrode und damit ein Verkleben mit der Schweißelektrode vermieden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Diamant mit 500 bis 20.000 ppm Bor, vorzugsweise 2.000 bis 10.000 ppm Bor, dotiert. Der Diamant kann zusätzlich oder alternativ auch mit 500 bis 20.000 ppm Phosphor dotiert sein. Das ermöglicht die Durchführung eines Widerstandsschweißverfahrens mit einer Stromdichte von 30 kA/cm2 und mehr. Das entspricht etwa der 30-fachen Stromdichte gegenüber dem herkömmlichen Widerstandsschweißverfahren beim Schweißen von Stahlblechen. Dort wird üblicherweise eine Stromdichte von 1 kA/cm2 verwendet. Die Möglichkeit der Verwendung einer besonders hohen Stromdichte ermöglicht eine schnelle Durchführung einer Widerstandsschweißverbindung. Es wird insbesondere eine unerwünschte Erhitzung großer Bereiche der zu verschweißenden Werkstücke vermieden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Diamant als Diamantschicht mittels CVD-Verfahren hergestellt. Beim CVD-Verfahren wird die Diamantschicht aus der Gasphase in-situ auf der Schweißelektrode abgeschieden. Es hat sich gezeigt, dass eine solchermaßen hergestellte Diamantschicht eine überraschend gute Haltbarkeit selbst bei den extremen Bedingungen des Widerstandsschweißens aufweist.
  • Zweckmäßigerweise beträgt eine Dicke der Diamantschicht 0,5 bis 50 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm. Die Diamantschicht weist vorteilhafterweise eine Oberflächenrauheit mit einer gemittelten Rautiefe Rz > 1 µm auf. Eine Diamantschicht mit den vorstehenden Parametern zeichnet sich nochmals durch eine verbesserte Standzeit der Schweißelektrode aus.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kontaktfläche zu mehr als 50 % aus Facetten gebildet, welche die (111) oder (001) Ebenen von Diamantkristallen, vorzugsweise von zusammengewachsenen Diamanteinkristallen, bilden. Eine der Kontaktfläche gegenüberliegende Aufwuchszone der Diamantschicht ist kappenseitig zweckmäßigerweise in Kontakt mit einer Zwischenschicht. Insbesondere die Diamanteinkristalle erstrecken sich überwiegend in einer [111] oder [110]-Richtung von der Zwischenschicht zur Kontaktfläche. D. h. die Diamanteinkristalle erstrecken sich von der Zwischenschicht zur Kontaktfläche derart, dass deren Korngrenzen überwiegend etwa senkrecht zur Kontaktfläche verlaufen. Eine Diamantschicht, mit der vorgeschlagenen Ausbildung zeichnet sich durch eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit aus.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zwischenschicht aus einer Metall-Carbid- und/oder Nitrid- und/oder Borid-Verbindung des ersten Metalls oder eines vom ersten Metall verschiedenen zweiten Metalls gebildet. Das erste und/oder zweite Metall bildet insbesondere eine bis zu einer Temperatur von 800 °C stabile Carbid- und/oder Nitrid- und/oder Borid-Verbindung. Das erste und/oder zweite Metall kann insbesondere aus einem oder mehreren der folgenden Elemente gebildet sein: Cr, Ti, Nb, Mo, W, Ta. Die Zwischenschicht kann entweder unmittelbar beim CVD-Verfahren in-situ gebildet werden oder separat bei einer Temperatur von 600 °C bis 1.050 °C hergestellt werden.
  • Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Metall um W handeln, welches als Legierungsbestandteil Cu enthält. In diesem Fall kann die Zwischenschicht unmittelbar bei dem CVD-Verfahren gebildet werden, mit welchem die Diamantschicht abgeschieden wird. Als Zwischenschicht bildet sich in diesem Fall WC. Es kann beispielsweise auch sein, dass das erste Metall aus W gebildet ist, welches als Legierungsbestandteil Fe enthält. In diesem Fall wird auf das erste Metall in einem ersten CVD-Verfahren als Zwischenschicht eine TiN-Schicht abgeschieden. Diese Schicht kann mit B dotiert sein. Anschließend wird in einem zweiten CVD-Verfahren die Diamantschicht auf der Zwischenschicht abgeschieden.
  • Das erste Metall kann als Legierungsbestandteil vorzugsweise Cu, Fe oder auch Ag enthalten.
  • Das Schweißwerkzeug kann - abgesehen von dem ersten Metall - abschnittsweise auch aus einem dritten Metall gebildet sein. Das dritte Metall kann als Hauptbestandteil Cu enthalten. D. h. das Schweißwerkzeug kann zumindest in einem die Kontaktfläche bildenden Abschnitt beispielsweise aus einer W- oder Mo-Legierung hergestellt sein. Im Übrigen kann das Schweißwerkzeug auch aus einem anderen Metall, beispielsweise einer Cu-Legierung, hergestellt sein. Ein solches Schweißwerkzeug lässt sich relativ kostengünstig herstellen.
  • Bei dem Schweißwerkzeug kann es sich um eine Kappe zum Aufstecken auf einen Elektrodenhalter einer Widerstandspunktschweißvorrichtung handeln. Es kann sich bei dem Schweißwerkzeug aber auch um eine Scheibe für eine Rollnahtschweißvorrichtung handeln.
  • Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Schweißelektrode zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen Werkstücken zu verwenden, welche aus einem vierten Metall mit einer passivierenden Metalloxidschicht hergestellt sind.
  • Der Begriff „Metall“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung allgemein zu verstehen. D. h. es kann sich dabei auch um eine Legierung handeln.
  • Unter dem „vierten Metall“ wird ein Metall verstanden, welches an seiner Oberfläche bei Kontakt mit Luft spontan eine Oxidschicht bildet. - Das vierte Metall ist vorzugsweise aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Al, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Fe, Nb, Ta, Cu. Insbesondere Aluminium bildet an seiner Oberfläche spontan eine Passivierungsschicht aus Al2O3 aus. Al2O3 ist elektrisch isolierend und weist eine hohe Härte (Vickers-Härte ca. 2.000) auf. Die auf der erfindungsgemäßen Schweißelektrode vorgesehene Diamantschicht weist eine höhere Härte, nämlich Vickers-Härte 7.000 bis 10.000, auf. Infolgedessen gelingt es mit der erfindungsgemäßen Schweißelektrode die beispielsweise auf Aluminiumblechen sich ausbildende passivierende Schicht zu durchbrechen, so dass ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen der Diamantschicht und dem metallisch leitenden Abschnitt unterhalb der Passivierungsschicht hergestellt wird. Infolgedessen gelingt mit der erfindungsgemäßen Schweißelektrode die Herstellung einer Schweißverbindung, ohne dass die Schweißelektrode mit dem zu verschweißenden Blech verklebt. - Der beschriebene Effekt gilt auch für andere vierte Metalle, welche eine passivierende Metalloxidschicht ausbilden, z. B. Al, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Fe, Nb, Ta, Cu.
  • Zweckmäßigerweise wird die Schweißverbindung mittels Widerstandspunktschweißen hergestellt. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ist es aber auch denkbar, beispielsweise linienförmige Schweißverbindungen herzustellen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Draufsicht auf eine Schweißkappe,
    • 2 eine Schnittansicht durch die Schweißkappe gemäß der Schnittlinie A - A' in 1,
    • 3 eine Unteransicht gemäß 1 und
    • 4 eine schematische Schnittansicht durch die Oberfläche einer Schweißkappe und ein zu verschweißendes Blech.
  • Die 1 bis 3 zeigen eine in Form einer Kappe bzw. Schweißkappe ausgeführte Schweißelektrode. Die Schweißelektrode weist eine Kontaktfläche 1 auf, welche die freie Oberfläche einer Diamantschicht 2 bildet. Mit dem Bezugszeichen 3 ist ein Abschnitt bezeichnet, welcher beispielsweise aus W oder Mo oder einer Legierung gebildet ist, welche Mo oder W als Hauptbestandteil enthält. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Zwischenschicht, welche im konkreten Beispiel im Wesentlichen aus WC oder MoC gebildet ist. Die Zwischenschicht 4 kann in-situ bei der Herstellung der Diamantschicht 2 mittels CVD-Verfahren gebildet werden.
  • Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Basisabschnitt der Schweißkappe bezeichnet. Der Basisabschnitt 5 kann aus einem dritten Metall hergestellt sein, welches von dem den Abschnitt 3 bildenden ersten Metall verschieden ist. Zur Herstellung des Basisabschnitts 5 kann ein drittes Metall gewählt werden, welches kostengünstiger ist als das zur Herstellung des Abschnitts 3 verwendete erste Metall. Beispielsweise kann der Basisabschnitt 5 aus Reinkupfer oder aus einer Kupferlegierung, insbesondere CuAl2O3-, CuCr- oder CuCrZr-Legierungen gebildet sein. - Es kann selbstverständlich auch sein, dass der Basisabschnitt 5 weggelassen und die Kappe aus dem den Abschnitt 3 bildenden ersten Metall gebildet ist.
  • Nach einer weiteren in den Figuren nicht gezeigten Ausgestaltung kann es auch sein, dass der Abschnitt 3 weggelassen wird. In diesem Fall ist die Schweißkappe beispielsweise aus einer herkömmlichen Kupferlegierung hergestellt. Die Zwischenschicht 4 muss in diesem Fall separat aufgebracht werden. Die Zwischenschicht kann aus Carbid bildenden Metallen gebildet sein. Beispielsweise kann die Zwischenschicht Ti enthalten. Auf einer solchen Zwischenschicht 4 kann sodann mittels eines CVD-Verfahrens die Diamantschicht 2 abgeschieden werden.
  • 4 zeigt schematisch den Abschnitt 3, welcher aus einer W- oder Mo-Legierung hergestellt ist. Die Legierung kann an den Korngrenzen, von denen hier beispielhaft nur einige gezeigt sind, eine Korngrenzenphase 6 aufweisen, welche beispielsweise aus Fe, Ni, Co oder Cu gebildet ist. Bei einer in-situ Beschichtung ist es zweckmäßig, die Korngrenzenphase 6 mittels Ätzung und/oder Partikelstrahlen oberflächlich zu entfernen. Das erhöht die Festigkeit der Anbindung der Diamantschicht 2 an die Zwischenschicht 4.
  • Die von der Zwischenschicht 4 sich erstreckenden Diamantkristalle 7 sind zu mehr als 50 % Diamanteinkristalle. Die mit dem Bezugszeichen 8 bezeichneten Facetten der Diamantkristalle 7 sind entweder aus der (111)- oder der (001)-Ebene gebildet. Das Bezugszeichen P bezeichnet Pfeile, welche die Richtung des Stromflusses durch die Diamantschicht 2 wiedergeben. Der Stromfluss erfolgt parallel zur [111]- sowie zur [110]-Richtung der Diamantkristalle 7.
  • Die Kontaktfläche 1 der Diamantschicht 2 wird durch die Gesamtheit der Facetten 8 gebildet. Der Kontaktfläche 1 liegt ein zu verschweißendes Werkstück 9 gegenüber, welches beispielsweise aus einer Aluminium-Legierung hergestellt ist. Das Werkstück 9 weist an seiner Oberfläche eine Metalloxidschicht 10 auf.
  • Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, kann das Schweißwerkzeug anstelle der Kappe auch aus einer Scheibe gebildet sein. Eine solche Scheibe kommt bei Rollnahtschweißvorrichtungen zum Einsatz. Die Kontaktfläche 1 ist in diesem Fall am Umfangsrand der Scheibe ausgebildet. Der Abschnitt 3 und ggf. der Basisabschnitt 5 sind in analoger Abfolge zu den in 1 bis 3 gezeigten Kappe bei der Scheibe radial innen liegend angeordnet.
  • Zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen dem Werkstück 9 und einem weiteren Werkstück (hier nicht gezeigt) wird die Diamantschicht 2 gegen die Metalloxidschicht 10 gedrückt. Es wird eine Stromdichte im Bereich von 5 bis 60 kA/cm2, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 kA/cm2, erzeugt. Dabei verschweißt das Werkstück 9 mit einem gegenüberliegend angeordneten weiteren Werkstück (hier nicht gezeigt), welches mit einer weiteren erfindungsgemäßen Schweißelektrode (hier nicht gezeigt) gegen das Werkstück 9 gedrückt wird.
  • Mit der vorgeschlagenen Schweißelektrode können insbesondere bei Aluminiumblechen mehr als 1.000 Punktverschweißungen durchgeführt werden, ohne dass eine Verklebung zwischen der Schweißelektrode und den Aluminiumblechen auftritt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kontaktfläche
    2
    Diamantschicht
    3
    Abschnitt
    4
    Zwischenschicht
    5
    Basisabschnitt
    6
    Korngrenzenphase
    7
    Diamantkristall
    8
    Facette
    9
    Werkstück
    10
    Metalloxidschicht
    P
    Pfeil

Claims (16)

  1. Schweißelektrode zum Widerstandsschweißen, gebildet aus einem zumindest abschnittsweise aus einem ersten Metall hergestellten Schweißwerkzeug, welches eine mit dem zu schweißenden Werkstück (9) in Kontakt kommende Kontaktfläche (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (1) aus mit Bor und/oder Phosphor dotiertem Diamant gebildet ist.
  2. Schweißelektrode nach Anspruch 1, wobei der Diamant mit 500 bis 20.000 ppm Bor dotiert ist.
  3. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diamant als Diamantschicht (2) mittels CVD-Verfahren hergestellt ist.
  4. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Diamantschicht (2) 0,5 bis 50 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm, beträgt.
  5. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diamantschicht (2) eine Oberflächenrauheit mit einer gemittelten Rautiefe von Rz > 1 µm aufweist.
  6. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (1) zu mehr als 50 % aus Facetten gebildet ist, welche die (111) oder (001) Ebenen von Diamantkristallen, vorzugsweise von Diamanteinkristallen, bilden.
  7. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine der Kontaktfläche (1) gegenüberliegende Aufwuchszone der Diamantschicht (2) in Kontakt mit einer Zwischenschicht (4) ist.
  8. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diamanteinkristalle (7) sich in einer [111] oder [110]-Richtung von der Zwischenschicht (4) zur Kontaktfläche (1) erstrecken.
  9. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (4) aus einer Carbid- und/oder Nitrid- und/oder Borid-Verbindung des ersten Metalls oder eines vom ersten Metall verschiedenen zweiten Metalls gebildet ist.
  10. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Metall eine bis zu einer Temperatur von 800 °C stabile Carbid- und/oder Nitrid- und/oder Borid-Verbindung bildet.
  11. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Metall aus einem oder mehreren der folgenden Elemente gebildet ist: Cr, Ti, Nb, Mo, W, Ta.
  12. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schweißwerkzeug abschnittsweise aus einem dritten Metall gebildet ist.
  13. Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Metall als Hauptbestandteil Cu enthält.
  14. Verwendung der Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung einer Widerstandsschweißverbindung zwischen Werkstücken (9), welche aus einem vierten Metall mit einer passivierenden Metalloxidschicht (10) hergestellt sind.
  15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei die Widerstandsschweißverbindung mittels Widerstandspunktschweißen, Widerstandsbuckelschweißen oder Widerstandsrollnahtschweißen hergestellt wird.
  16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, wobei das vierte Metall aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Al, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Fe, Nb, Ta, Cu.
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