DE112008002853T5

DE112008002853T5 - Gerippte Widerstandspunktschweißelektrode

Info

Publication number: DE112008002853T5
Application number: DE112008002853T
Authority: DE
Inventors: David C. Indianapolis Fleckenstein
Original assignee: CMW International Inc Indianapolis; CMW INTERNATIONAL Inc
Current assignee: Tuffaloy Products Inc Greer Us
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: US8299388B2; WO2009055411A3; US20100243613A1; DE112008002853B4; WO2009055411A8; WO2009055411A2

Abstract

Schweißelektrode mit:
einem Gehäuse, das ein offenes Ende, ein geschlossenes Ende und einen darin ausgebildeten Wasserspeicher aufweist, welcher sich von dem offenen Ende in Richtung des geschlossenen Endes erstreckt, wobei der Wasserspeicher einen Endwandabschnitt und einen Seitenwandabschnitt umfasst;
einem dem offenen Ende benachbarten Befestigungsabschnitt;
einem zu dem geschlossenen Ende benachbarten Spitzenabschnitt; und
einer Vielzahl von in dem Wasserspeicher ausgebildeten Rippen, die sich zwischen dem Endwandabschnitt und dem Seitenwandabschnitt erstrecken, wobei die Rippen jeweils eine erste und eine zweite geneigte Seite aufweisen, die um einen Neigungswinkel zwischen 10 Grad und 45 Grad geneigt sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine gerippte Widerstandspunktschweißelektrode.
Geschichtlich gesehen ist Blech das primär bei der Fahrzeugstellung eingesetzte Material. Derzeit jedoch werden maßgebliche Mengen von Spezialmaterialien wie Aluminium, TRIP-Stähle, Duplex-Stähle, Dualphasen-Stähle und beschichtete Hochfestigkeits-Stähle verwendet. Die Auswahl dieser neuen Materialien basiert häufig entweder auf den Anforderungen der Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs, um verbesserte Verbrauchsstandards zu erreichen, oder der Erhöhung der Festigkeit des Fahrzeugs, um neue Sicherheitsbestimmungen bei Unfallsituationen zu erreichen. Obwohl eine Vielzahl von Fügeverfahren verwendet werden, ist Widerstandsschweißen bzw. Widerstands-Punktschweißen (englisch: resistance spot welding (RSW)) das primär eingesetzte Verfahren, um Bauteile während des Zusammenbaus zusammenzufügen. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner niedrigen Investitions- und Betriebskosten sowie seiner Anwendbarkeit in der Massenproduktion bevorzugt. Hohe Standards der Schweißqualität und wiederholbare Betriebssicherheit werden jedoch benötigt, um die anderen Vorteile ausnützen zu können.
Zum Beispiel umfassen TRIP-Stähle (deutsch: transformationsinduzierte Plastizitäts-Stähle – englisch: transformation induced plasticity steels) drei verschiedene Materialphasen. Nachgewiesenerweise liefern herkömmliche RSW-Techniken wenig zufriedenstellende Ergebnisse, da die herkömmlichen RSW-Techniken zu einer niedrigen Schweißqualität aufgrund von spröden Schweißnähten führen. Es wird angenommen, dass herkömmliche RSW-Techniken zu einer schnellen Erwärmung und Abkühlung führen, wobei die rasche Abkühlung, falls TRIP-Stähle verwendet werden, den Schweißkern spröde werden lässt, was die Festigkeit der Schweißnaht vermindert.
Mit Bezug auf dieses Phänomen haben Hersteller ihre Schweißvorgänge geändert, um eine graduelle Reduzierung der Temperatur durch eine stufenweise Absenkung des Stroms während der Abkühlung zu erreichen, anstatt einfach den Strom abzustellen. Während dadurch anscheinend das Problem mit den spröden Schweißnähten reduziert wird, geht eine höhere Wärmelast auf die Schweißelektroden über, da die hohen Wärmezustände über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden. Dies kann zu frühzeitigen Elektrodenausfällen und Qualitätsproblemen führen.
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit den RSW-Herstellungsumgebungen ist die Abnutzung der Elektrode. Die Abnutzung der Elektrode erfolgt primär auf zwei Wegen. Zum einen kann die Abnutzung der Elektrode aus der Aushalsung des Elektrodenmaterials an der Anlagefläche der Elektrode während des Schweißvorgangs resultieren. Dieses Phänomen wird auch Pilzausformung (englisch: mushrooming) genannt. Dieses Phänomen kann durch eine Kombination der hohen, während des Schweißvorgangs erzeugten Hitze und der hohen, durch die Elektroden auf die Teile ausgeübten Klemmkräfte entstehen.
Zum anderen kann die Elektrode auch durch einen zweiten Mechanismus zur abgenutzt werden, der den Übergang der Legierungen der Elektrodenanlagefläche auf die Blechfläche während des Abnehmens der Elektroden betrifft. Erwärmen der Elektrodenfläche fördert die Bildung von Messinglegierungen und das Anhaften der oberen Lage der Elektrodenanlagefläche in der Dichtungsfläche. Beides führt zu einer Vergrößerung und Aufrauhung der Elektrodenanlagefläche.
Diese angelagerten Legierungen sind nicht leicht zu erkennen, da sie ähnlich wie galvanisierte Beschichtungen erscheinen. Herkömmliche Lösungen, um der Elektrodenabnutzung entgegenzuwirken, umfassen die Steuerung des Betätigungsstromniveaus, der Schweißzeit, der Haltezeit, der Elektrodenkühlung, der Elektrodengeometrie und weitere Faktoren. Die Rate der Vergrößerung der Elektrodenanlagefläche aufgrund der beiden voranstehend beschriebenen Mechanismen steht in Beziehung zu der Energie, die an der Verbindungsstelle zwischen Elektroden und Blech erzeugt wird, und der Wärme, die von der Schweißnaht über die Elektrodenanlagefläche weiter zu einem Kühlwasserkanal innerhalb der Elektrode geführt wird. Die Wärme kann die Materialfestigkeit der Elektrode durch Anlassen der kaltverformten Struktur der Elektrode verringern. Diese Arten der Elektrodenabnutzung verringern die Stromdichte in dem Blech, was zu einer reduzierten Hitze an der Schweißfläche führt, die eventuell einen verkleinerten Schweißkern verursacht oder gar die Bildung einer Schweißverbindung verhindert.
Die Auswirkungen der Elektrodenabnutzung können entweder durch systematisches Erhöhen des Schweißstroms, um der vergrößerten Größe der Schweißelektroden durch die Pilzausformung Rechnung zu tragen, oder durch Abrichten der Elektroden spitze und der Elektrodenfläche auf die Originalgröße der Elektrodenfläche, verringert werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine Seitenansicht einer Schweißelektrode gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine Seitenansicht einer Punktschweißelektrode vom E-Nasen-Typ, die einen eine Vielzahl von Rippen umfassenden, vergrößerten Wasserspeicher aufweist.
3 ist eine Draufsicht der in 2 dargestellten Elektrode.
4. ist eine perspektivische Ansicht der in 2 dargestellten Elektrode mit einem im Schnitt dargestellten Ausschnitt.
5 ist eine Schnittsansicht einer der in den 2–4 dargestellten Rippen.
6. ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens einer gerippten Elektrode.
7 ist eine Schnittsansicht eines in dem Verfahren gemäß 6 verwendeten Formwerkzeugs.
8 ist eine Draufsicht des in 7 dargestellten Formwerkzeugs.
9 ist eine Seitenansicht einer Punktschweißelektrode vom B-Nasen-Typ, die einen eine Vielzahl von Rippen umfassenden, vergrößerten Wasserspeicher aufweist.
10 ist eine Seitenansicht einer Schweißelektrode vom A-Nasen-Typ, die einen eine Vielzahl von Rippen umfassenden, vergrößerten Wasserspeicher aufweist.
11 ist eine Seitenansicht einer Punktschweißelektrode vom F-Nasen-Typ mit einem eine Vielzahl von Rippen umfassenden, vergrößerten Wasserspeicher.
12 ist ein Foto einer Ausführungsform eines gerippten Wasserspeichers.
13 ist eine Draufsicht, die den in 12 gezeigten gerippten Wasserspeicher darstellt.
14 ist ein Diagramm eines Schweißdauertests der gerippte Elektrodenkappe, die die Knopfgröße und den Schweißstrom im Vergleich mit der Anzahl der Schweißnähte darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zur Verbesserung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen genommen. Damit ist keinerlei Einschränkung des Schutzbereichs der vorliegenden Anmeldung beabsichtigt, da ein Fachmann, den die vorliegende Anmeldung betrifft, Änderungs-, weitere Modifikations- und weitere Anwendungsmöglichkeiten der darin beschriebenen Prinzipien erkennt. In den verschiedenen Figuren werden für gleiche oder ähnliche Elemente die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist eine Punktschweißelektrode 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, die ein Gehäuse 12, ein offenes Ende 14 und ein geschlossenes Ende 16 aufweist. Das Gehäuse 12 weist einen darin ausgebildeten Wasserspeicher 20 auf, der sich von dem offenen Ende 14 in Richtung einer Innenwand 22 erstreckt, wobei die Innenwand 22 in derselben Richtung verläuft, wie das geschlossene Ende 16. Der Wasserspeicher 20 umfasst auch einen Befestigungsabschnitt 24. In der dargestellten Ausführungsform ist der Befestigungsabschnitt 24 eine sich verjüngende Öffnung, die mit einem konischen Vorsprung mit einem Schweißelektrodenkörper (nicht dargestellt) gekoppelt werden kann. Jedes erdenkliche Befestigungsmittel kann jedoch genutzt werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Gewinde oder jede andere Befestigungsart, die in der Industrie bekannt sind, um eine Schweißelektrode 10 an einem vorspringenden oder aufnehmenden Elektrodenadapter anzubringen, der Teil einer Schweißzange oder einer Widerstandsschweißmaschine sein kann. Der Befestigungsabschnitt 24 erzeugt eine wasserdichte Dichtung mit einem vorspringenden oder aufnehmenden Elektrodenadapter und überträgt die Druckkraft von der Elektrode 10 auf den vorspringenden oder aufnehmenden Elektrodenadapter. Die Punktschweißelektrode 10 umfasst ebenfalls einen Spitzenabschnitt 30. Der Spitzenabschnitt 30 umfasst eine Schweißfläche 32 und einen konischen Elektrodenabschnitt 34. Der konische Elektrodenabschnitt 34 ist in der dargestellten Ausführungsform ein sich um 45 Grad verjüngender Konusabschnitt, der einer E-Nasen-Standard-Elektronengeometrie entspricht.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Schweißfläche 32 annähernd eine kreisförmige Schweißfläche. Die Größe der Schweißfläche 32 ist ein Faktor bei der Auswahl einer bestimmten Elektrode für eine bestimmte Aufgabe. Der Durchmesser der Elektrodenfläche hat direkte Auswirkungen auf die Stromdichte, die definiert ist durch den Schweißstrom geteilt durch die Anlagefläche der Schweißfläche 32. Wenn die Schweißfläche 32 zu klein ist, kann eine hohe Stromdichte eine hohe Wärmekonzentration und eine starke Flächeneinwölbung verursachen. Falls die Schweißfläche 32 zu groß ist, kann die Stromdichte unter ein minimales Niveau abfallen, was benötigt wird, um eine akzeptable Schweißnaht zu erzeugen. Für eine bestimmte Anwendung wird die Schweißfläche 32 im Allgemeinen basierend auf der Dicke des zu schweißenden Werkstücks und der gewünschten Größe des zu produzierenden Schweißkerns ausgewählt.
Elektroden sind allgemein mit einem Kühlwasserdurchgang versehen, um die Wärme von den Elektroden und den Werkstücken abzuführen. Die Wärme des Schweißvorgangs wird von der Elektrode auf das durch die Kühlwasserkanäle strömende Kühlwasser übertragen. 1 zeigt den Abstand D, der den Abstand zwischen der Schweißfläche 32 und der Innenwand 22 darstellt. Der Abstand D kann als Anlageflächendicke bezeichnet werden. Die Anlageflächendicke D steuert im Allgemeinen in Verbindung mit den Kühlwasserkanälen, die Teil des vorspringenden oder aufnehmenden Elektrodenadapters (nicht gezeigt) sind, die Kühlung der Elektrode. Die Position eines Kühlrohrs bezüglich der Innenwand 22 kann auch die Kühlrate der Elektrode 10 beeinflussen. Auch wenn die vorliegende Anmeldung Wasser als Kühlfluid beschreibt, sind andere aus dem Stand der Technik bekannte Kühlfluide oder Kombinationen davon ebenfalls mit der darin offenbarten gerippten Elektrode verwendbar.
Ein weiterer Einflussfaktor, der die Auswahl der Anlageflächendicke D für eine bestimmte Anwendung bestimmt, ist der, dass die Elektroden herkömmlicherweise wieder aufgearbeitet werden, da die Pilzausbildung oder Anlageflächenaushalsung auftritt, wodurch die Größe der Schweißfläche 32 zunimmt. Die Elektrode 10 kann abgerichtet werden, um eine kleine Materialmenge (ungefähr 0,51 mm bis 1,02 mm) zu entfernen. Dieses Verfahren kann mehrmals wiederholt werden und bei einigen Ausführungsformen können bis zu 5,08 mm des Materials der Elektrode 10 entfernt werden, bevor die Elektrode 10 zum Recyclen oder zur Reklamation abgenommen wird. Bei der Auswahl einer ursprünglichen Anlageflächendicke D sollte die zu erwartende Wiederaufarbeitung berücksichtigt werden, so dass nach der Ausführung einer kompletten Wiederaufarbeitung, die Anlageflächendicke D immer noch über einem akzeptablen unteren Grenzwert liegt.
Ein weiterer Einfluss und eine weitere Schwierigkeit, die mit der Auswahl und der Nutzung einer Elektrode dieses Typs einhergeht, kann die Bildung von Messing an der Anlagefläche der Elektrode während der Nutzung sein, die, wie voranstehend beschrieben, die derzeitige und die Langzeitleistung reduzieren kann. Dies kann durch eine Kombination von Zinkanlagerungen der verwendeten Beschichtungen und auch dem Kupfer der Elektrodenanlagefläche selbst auftreten. Das daraus resultierende Problem kann maßgeblich durch eine erhöhte Kühlung und Effizienz vermindert werden, die durch die beschriebenen Ausführungsformen erreicht werden, welche unter anderem die Verweildauer der geschmolzenen Zinkbeschichtungen an der erwärmten Kupferelektrodenfläche reduziert.
Mit Bezug auf einen akzeptablen unteren Grenzwert für die Anlageflächendicke D gibt es verschiedene, einander widersprechende Interessen, die einen akzeptablen und nichtakzeptablen Leistungsbereich für die Anlageflächendicke D beeinflussen. Eine maximale Kühlung kann dann stattfinden, wenn die Wärmeleitung und die Wärmekonvektion ausgeglichen sind. Die Wärmeleitung durch die Elektrode 10 ist teilweise abhängig von der Anlageflächendicke D. Wenn die Anlageflächendicke D größer als notwendig ist, wird eine niedrigere Kühlung durch das Kühlwasser erreicht, da die Wärme über eine lange Strecke geleitet werden muss, bevor sie den Wasserspeicher 20 erreicht und es liegt ein größerer Temperaturgradient zwischen der Schweißfläche 32 und der Innenwand 22 vor. Falls die Anlageflächendicke D zu dünn ist, wird die Wärme nahe der Schweißfläche 32 gespeichert, was in einer reduzierten thermischen Masse resultiert. Da die Verkleinerung der Elektrodenanlageflächendicke D den Wasserspeicher 20 näher an der zu erwartenden Höchsttemperatur an der Schweißfläche 32 positioniert, kann eine zu starke Verkleinerung der gesamten thermischen Masse der Elektrode 10 zu einem Verdampfen des Wassers in dem Wasserspeicher 20 führen. Falls eine Verdampfung stattfindet, kann der daraus entstehende Dampf als eine Isolationsbarriere zwischen der Elektrode 10 und dem Wasser in dem Wasserspeicher 20 wirken, wodurch die Aufnahmefähigkeit des Wassers für die Wärme der Elektrode 10 wesentlich reduziert wird.
In den 2, 3 und 4 ist eine gerippte Elektrode 50 dargestellt. Die gerippte Elektrode 50 umfasst ein Gehäuse 10, ein offenes Ende 14, ein geschlossenes Ende 16, einen Wasserspeicher 51 und einen Spitzenabschnitt 30. Der Wasserspeicher 51 weist einen Befestigungsabschnitt 24, einen Seitenwandabschnitt 53, eine Innen wand 56 und eine Mehrzahl von Rippen 58 auf. Der Seitenwandabschnitt 53 umfasst einen geraden Wandabschnitt 52 und einen konischen Abschnitt 54. Der Spitzenabschnitt 30 umfasst einen konischen Elektrodenabschnitt 34 und die Schweißfläche 32 mit der zwischen der Innenwand 56 und der Schweißfläche 32 dargestellten Anlageflächendicke D.
In 2 ist eine gerippte Elektrode 50 mit einem Wasserspeicher 51 dargestellt, der verglichen mit dem Wasserspeicher 20 gemäß dem in 1 dargestellten Stand der Technik-Beispiel wesentlich tiefer in dem Gehäuse 12 angeordnet ist. Angenommen, dass die gesamte Länge des Gehäuses 12 der gerippten Elektrode 50 und der Elektrode 10 gleich ist, ist erkennbar, dass die Anlageflächendicke D der gerippten Elektrode 50 kürzer als die Anlageflächendicke D der Elektrode 10 ist. Dementsprechend muss bei den Ausführungsformen, die den in 2 gezeigten Wasserspeicher 51 nutzen, die gerippte Elektrode 50 ein vergleichweise langes Gehäuse 12 aufweisen, um eine geeignete Seitendicke D darin zuzulassen.
Eine weitere Konsequenz aus der zunehmenden Größe und Tiefe des Wasserspeichers 51 verglichen mit der des Wasserspeicher 20 gemäß dem Stand der Technik ist eine potentielle Reduzierung der Festigkeit des Gehäuses 12 der gerippten Elektrode 50. Es sollte ersichtlich sein, dass bei Zunahme der Größe (Tiefe und/oder Weite) des Wasserspeichers 51 ein kritischer Punkt erreicht wird, an dem die Festigkeit des den konischen Abschnitt 51 umgebenden Materials wesentlich reduziert wird, so dass der Bereich um den konischen Abschnitt 54 herum zum schwächsten Punkt der Kappe wird. Da angedacht ist, die gerippte Elektrode 50 in Hochtemperatursituationen unter signifikanten Drucklasten zu nutzen, kann eine potentielle Fehlerquelle der Zusammenbruch des Gehäuses 12 aufgrund der massiven während des Punktschweißvorgangs ausgeübten Last sein. Es wurde festgestellt, dass die Anordnung einer Mehrzahl von Rippen 58 an dem Innenumfang der Innenwand 56 als eine strukturelle Verstärkung oder Versteifung wirkt, die die gesamte Festigkeit und Steifigkeit des Gehäuses 12 erhöht. Daher lässt die Anordnung einer Mehrzahl von Rippen 58 in dem Wasserspeicher 51 gemäß den beschriebenen Ausführungsformen die Verwendung von größeren Wasserspeichern 51 zu, was ohne die Mehrzahl von derartiger Rippen 58 nicht möglich ist oder zu erwarten wäre.
Ein weiterer Vorteil des Wasserspeichers 51 verglichen mit und anders als bei dem Wasserspeicher 20 gemäß dem Stand der Technik ist eine vergrößerter Flächenbereich zwischen dem Gehäuse 12 und dem Kühlwasser (nicht gezeigt), wodurch der gesamte Betrag der durch das Kühlwasser abgeführten Wärme während der Nutzung erhöht werden kann. Diese wurde bei der dargestellten Ausführungsform mittels einer Vergrößerung des Wasserspeichers 51 durch die Ausbildung des konischen Abschnitts 54 und durch das Verlegen der inneren Wand 56 weg von dem offenen Ende 14 erreicht. Wie voranstehend beschrieben, ist eine Mehrzahl von Rippen 58 um den Umfang des konischen Abschnitts 54 herum vorgesehen. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform, die acht derartige Rippen 58 aufweist, ist der Flächenbereich des Wasserspeichers 51 zum Zweck des Wärmeübergang um in etwa 215 Prozent größer als der Flächenbereich, den der in 1 dargestellte Wasserspeicher 20 bereitstellt. Ferner ist es vorgesehen und beabsichtigt, dass mehr oder weniger als die acht dargestellten Rippen in den verschiedenen Ausführungsformen und Anwendungen verwendet werden können, wobei noch immer die beschriebenen Wirkungen erzielt werden. Zum Beispiel kann die Anzahl der Rippen in anderen Ausführungsformen der Elektrode in einem Bereich von weniger als 6 bis zu mehr als 10 variieren, in Abhängigkeit von Faktoren wie zum Beispiel dem Material, dem genutzten Herstellungsverfahren, der Größe und der beabsichtigten Anwendung sowie der vergrößerten Kühlfläche und der bevorzugten Kühlwirkung in einer bestimmten Situation.
Nun wird Bezug auf die 3 und 4 genommen. Einige Merkmale der Rippen 58 sind im Detail dargestellt, wie die geneigten Seiten 60, der abgerundete Übergang 62 und der abgerundete Übergang 64. 5 zeigt eine Schnittsansicht einer einzelnen Rippe 58, die die geneigten Seiten 60 und den Neigungswinkel 66 zeigt. In diesem Zusammenhang müssen bei der Auslegung des Neigungswinkels 66 mehrere Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Wird der Neigungswinkel 66 vergrößert, so wird der Flächenbereich des Wasserspeichers 51 verringert, wohingegen sich der Flächenbereich des Wasserspeichers 51 vergrößert, wenn der Neigungswinkel 66 verringert wird. Bezüglich der Festigkeit wird bei einer Verkleinerung des Neigungswinkels 66 weniger strukturelle Tragfähigkeit oder Steifigkeit durch die Rippen 58 in dem Elektrodenkörper erzeugt. Dementsprechend erzeugt ein größerer Neigungswinkel 66 eine vergleichsweise große strukturelle Tragfähigkeit und Steifigkeit jeder Rippe 58 gemäß dieser Ausführungsform.
Von den bisherigen Untersuchungen und Tests hat die in den 2–5 dargestellte Ausführungsform gezeigt, dass sie eine gute Ausgewogenheit zwischen diesen und anderen Faktoren besitzt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Neigungswinkel 66 beispielsweise 22 Grad. Es wurde festgestellt, dass dieser Neigungswinkel eine Kombination aus geeigneter Kühlung und passender struktureller Tragfähigkeit und Steifigkeit schafft, sowie den Herstellungsprozess beispielweise durch Erleichtern und Beschleunigen der Freigabe der Form unterstützt, was nachstehend detailliert beschrieben wird. Gleichzeitig können andere Neigungswinkel 66 passend und mit ähnlichen geeigneten Resultaten für bestimmte Materialien und/oder Anwendungen funktionieren. Unter Berücksichtigung dessen kann ein akzeptabler Bereich für den Neigungswinkel 66 von in etwa 10 Grad bis in etwa 45 Grad reichen, je nach bevorzugter und vorgegebener Leistungsanforderungen oder Umständen.
Ein weiteres in den 2–5 dargestelltes Merkmal der Rippen 58 ist, dass sich die Rippen 58 nur zwischen der Innenwand 56 und dem konischen Abschnitt 54 erstrecken. Die Rippen 58 sind auch relativ klein mit einem gerundeten Übergang, der Bereiche des geraden Wandabschnitts 52 erreicht. Kein Abschnitt der Rippen 58 erstreckt sich oder ragt in den Wasserspeicher 51 gemäß der dargestellten Ausführungsform hinein, d. h. die Rippen 58 erstrecken sich nicht über die die Seitenwand 53 und die Innenwand 56 verbindende Linie hinaus. Darüber hinaus berühren sich die Rippen 58 untereinander nicht, so dass der Bereich in der Mitte der Innenwand 56 offen bleibt. Dieses Merkmal kann und hat in den bisherigen Tests die Lebensdauer des zum Formen der gerippten Elektrode 50 genutzten Werkzeug, wie z. B. des nachstehend beschriebenen Stößels 120, erhöht. Der offene Bereich 68 kann die Kühlung durch Bereitstellen eines Bereichs, an dem ein Wasserrohr (nicht dargestellt) platziert werden kann, fördern, sodass das Wasser in der Nähe der Wand 56 abgeführt werden kann. Dadurch kann auch der Kühlvorgang durch Reduzierung eines Wasserstillstands in dem Wasserspeicher 51 gefördert werden. Darüber hinaus lässt der offene Bereich 68 eine Aufteilung des Kühlwasserstroms vor dem Überströmen der einzelnen Rippen 58 zu. Die Rippen 58 erstrecken sich von dem Innenwandabschnitt 56 abgewinkelt mit einem Winkel zwischen 20 und 40° zu dem Seitenwandabschnitt 53.
In 6 ist ein Verfahren 100 dargestellt. Das Verfahren 100 ist ein Herstellungsverfahren der voranstehend beschriebenen gerippten Elektrode. Das Verfahren 100 beginnt mit dem Schritt 102, in dem ein Rohling basierend auf dem Gewicht auf die passende Länge zugeschnitten wird. Die Ziellänge wird durch systematisches Ausprobieren („trial and error”) oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Techniken derart bestimmt, dass der abgeschnittene Rohling ein bestimmtes Gewicht hat, das zur Bildung der gerippten Elektrode 50 ausreicht. Das Verfahren 100 fährt mit dem Schritt 104 fort, indem der in Schritt 102 abgeschnittene Rohling in einer ersten Form planiert und der Außendurchmesser von 15,24 mm auf 15,37 mm bis zu 15,44 mm erhöht wird.
Das Verfahren 100 fährt mit Schritt 106 fort, in dem der Rohling in einer zweiten Form kaltverformt wird, um eine Ausnehmung an der Rückseite des Rohlings anzuformen und den Außendurchmesser weiter zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird der Außendurchmesser auf in etwa 15,49 mm bis zu 15,54 mm erhöht, während die Ausnehmung in der Rückseite des Rohlings ungefähr einen Innendurchmesser von 11,81 mm hat und ungefähr 1,0 mm tief ist.
Das Verfahren 100 fährt mit Schritt 108 fort, in dem der Rohling in einer dritten Form kaltverformt wird, um seinen Außendurchmesser weiter zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird der Außendurchmesser auf in etwa 15,70 mm bis zu 15,75 mm erhöht. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt 110 fort, in dem der Rohling in einer vierten Form kaltverformt wird, die die volle Tiefe des die Rippen umfassenden Wasserspeichers ausbildet und den Außendurchmesser weiter erhöht. Es sollte festgehalten werden, dass bei Ausführungsformen, in denen der Befestigungsabschnitt 24 eine sich verjüngende Öffnung ist, die sich verjüngende Öffnung nicht in dem Schritt 110 ausgebildet wird und anstatt dessen ein Abschnitt des ausgeformten Wasserspeichers an dem Durchmesser des geraden Wandabschnitts 52 verbleiben kann. In einem Ausführungsbeispiel wird der Außendurchmesser auf ungefähr 15,80 mm erhöht.
Das Verfahren 100 gemäß der dargestellten Ausführungsform fährt dann mit Schritt 112 fort, in dem der Rohling in einer fünften Form kaltverformt wird, um einen Befestigungsabschnitt 24 anzuformen und den Wasserspeicher konisch auszubilden sowie den Außendurchmesser weiter zu erhöhen. In einer Ausführungsform ist der endgültige Außendurchmesser in etwa 15,875 mm und der Kegelabschnitt ist verjüngt sich in einem Winkelbereich von 2,84° bis 2,94° und ist ungefähr 9,62 mm bis 10,13 mm tief. Das Verfahren 100 wird mit Schritt 114 abgeschlossen, in dem der Spitzenabschnitt 30 der gerippten Elektrode 50 (oder jeder anderen Gestalt) angeformt wird.
Ferner werden andere Verfahren und Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens einer gerippten Elektrode 50 ebenso hierin angedacht und sie werden durch diese Veröffentlichung abgedeckt. Zum Beispiel kann es in einigen Ausführungsformen möglich sein, auch den Spitzenabschnitt 30 in Schritt 110 auszuformen, während die volle Tiefe des Wasserspeichers ausgeformt wird. In diesem Fall ist der Schritt 114 überflüssig und kann einen anderen abschließenden Schritt oder Vorgang ausführen.
In den 7 und 8 ist eine Ausführungsform eines Stößels 120 gezeigt. Der Stößel 120 stellt eines der Formwerkzeuge dar, die in dem Verfahren 100 genutzt werden, um die volle Tiefe des Wasserspeichers 51 in Schritt 110 auszuformen. Der Stößel 120 umfasst beispielsweise die Seitenwände 122 und 124 und eine Vielzahl von rippenförmiger Ausnehmungen 126. In einer Ausführungsform ist der Stößel 120 aus einem Standard CPM M-4 Material hergestellt, obwohl andere Materialien verfügbar sind und ebenfalls unter vorbestimmten Umständen und Zuständen funktionieren.
In 9 ist eine Ausführungsform einer gerippten Elektrode 130 vom B-Nasen Typ dargestellt, die den voranstehend beschriebenen Wasserspeicher 51 aufweist. Die gerippte Elektrode 130 umfasst ein Gehäuse 12, ein offenes Ende 14, ein geschlossenes Ende 16, einen Spitzenabschnitt 30, und eine Schweißoberfläche 32, wie im Wesentlichen voranstehend beschrieben. Die Elektrode 130 weist ferner einen konischen Elektrodenabschnitt 34 auf, der wie von der B-Nasen Konfiguration gefordert, die Form einer Halbkugel aufweist.
In 10 ist eine Ausführungsform einer gerippten Elektrode 140 vom A-Nasen Typ dargestellt, die den im Wesentlichen voranstehend beschriebenen Wasserspeicher 51 aufweist. Die gerippte Elektrode 140 umfasst ein Gehäuse 12, ein offenes Ende 14, ein geschlossene Ende 16, einen Spitzenabschnitt 30, eine Schweißfläche 32, wie im Wesentlichen voranstehend beschrieben. Die gerippte Elektrode 130 umfasst ebenfalls einen konischen Elektrodenabschnitt 34, der die von der A-Nasen Spezifikation geforderte parabolische Form aufweist.
11 zeigt eine Ausführungsform einer gerippten Elektrode 150 vom F-Nasen Typ, die den im Wesentlichen voranstehend beschriebenen Wasserspeicher 51 aufweist. Die gerippte Elektrode 150 weist ein Gehäuse 12, ein offenes Ende 14, ein geschlossenes Ende 16, einen Spitzenabschnitt 30, eine Schweißfläche 32 auf, wie im Wesentlichen voranstehend beschrieben. Die gerippte Elektrode 150 umfasst ebenfalls einen Elektrodenkegelabschnitt 34, der, wie von der F-Nasen Spezifikation gefordert, einer leicht abgerundeten Spitze entspricht.
Ferner kann der bevorzugte, voranstehend beschriebene Wasserspeicher 51 auch in anderen Elektrodenformen genutzt werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, in den herkömmlich bekannten C-Nasen, D-Nasen und G-Nasen Elektroden sowie andere aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungen. Individuelle Designüberlegungen für jede Elektrode sind abhängig von der tatsächlichen Anwendungen und der Wasserspeicher 51 kann an jede der genannten Elektroden durch Nutzung der voranstehend beschriebenen Lehre angepasst werden.
Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der Betrag des Wasserstroms zur Kühlung der gerippten Elektrode 50, 130, 140 oder 150 ungefähr 5,68 bis 7,57 Liter pro Minute sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Betrag des Wasserstroms einstellbar sein, sodass der Wasserstrom zur Optimierung der Schweißbedingungen zu einer bestimmten Zeit eingestellt werden kann. In einer anderen Ausführungsform ist der Wasserstrom nicht einstellbar und der Querschnitt des Wasserspeichers 51 kann (sogar während der Herstellung) eingestellt werden, um die Schweißbedingungen für eine bestimmte auszuführende Anwendung zu optimieren.
Die voranstehend beschriebene, bevorzugte gerippte Elektrode kann auch aus mehreren verschiedenen Materialien hergestellt werden. Einige geeignete Elektrodenmaterialien haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, z. B. um den Schweißstrom zu dem Werkstück zu leiten, und eine hohe thermische Leitfähigkeit, um die Wärme weg von der Schweißzone zu leiten, wodurch eine Kristallisierung des Schweißkerns nach dem Schweißen unterstützt wird. Einige andere Elektrodenmaterialien haben auch eine passende Hochtemperaturfestigkeit, um die durch die wiederholte Anwendung der Elektrodenkraft unter Hochtemperaturbedingungen verursachten mechanischen Deformationen aufnehmen zu können.
Es gibt jedoch einige konkurrierende Interessen, die bei der Materialauswahl berücksichtigt werden müssen. Bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit sollte z. B. die elektrische Leitfähigkeit der Schweißelektrodenspitze höher sein als die elektrische Leitfähigkeit des zu schweißenden Materials. Andererseits könnte die durch den Strom erzeugte Wärme, der durch die Elektrode und das Werkzeug fließt, in der Schweißspitze der Elektrode konzentriert werden und nicht in dem Werkstück. Ein anderer Einflussfaktor für die Materialauswahl ist der Betrag der benötigten Kraft, die durch und mit der Schweißspitze der Elektrode ausgeübt wird. Für Anwendungen, bei denen die zu schweißende Teile passgenau sind, z. B. bei der Bearbeitung von Teilen, die mit einer engen Toleranz gestanzt worden sind, werden geringere Klemmkräfte benötigt, sodass die Elektrodenschweißspitze aus einem vergleichsweise weichen oder weniger harten Material hergestellt werden kann, da die Kräfte auf die Spitze vergleichsweise gering sind und trotzdem eine annehmbare Lebensdauer aufweisen. Falls die zu schweißenden Materialien eine niedrige Passgenauigkeit haben, wie gewöhnlich in der Industrie, werden höhere Elektrodenkräfte benötigt, um die zu schweißenden Materialien während des Schweißvorgangs zusammen zu bringen. In einer derartigen Situation werden härtere oder wärmeresistentere Materialien bevorzugt, um höhere Klemmkräfte zu zuzulassen, während keine Abnutzung der Elektrodenschweißfläche durch von Materialauswölbungen während des Schweißens erfolgt.
Elektrodenmaterialien werden typischerweise durch die Widerstandsschweißherstellerallianz (englisch: Resistance Welding Manufacturers Alliance (RWMA)) – einem ständigen Komitee der amerikanischen Schweißgesellschaft – in verschiedene Gruppen eingeteilt, die die in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigte Gruppen A und B umfassen. Im allgemeinen besteht die RWMA Materialgruppe A aus Kupferlegierungen, die ihre Festigkeit über eine Kombination aus Materialbehandlungen und Kaltverformungen der Kupferlegierungen erhalten. Gruppe A, Klasse 1 Materialien haben eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit und werden zum Schweißen von Aluminium- und Magnesiumlegierungen empfohlen, bei denen die Leitfähigkeit der Schweißmaterialien auch relativ hoch ist. Klasse 1 Materialien umfassen Kupferzirkonium(CuZr)-Legierungen und Kupferkadmium(CuCd)-Legierungen. Im allgemeinen wird Kupferzirkonium häufiger verwendet als Kupferkadmium, da viele Nutzer Kadmium aufgrund seiner gefährlichen Eigenschaften vermeiden möchten.
Andererseits scheint Kadmium einen größeren Widerstand gegen Festkleben an einem Werkstück während des Schweißens bei einigen Anwendungen aufzuweisen.
Gruppe A, Klasse 2 Materialien haben eine vergleichsweise niedrigere elektrische Leitfähigkeit und vergleichsweise höhere mechanische Eigenschaften als die Klasse 1 Materialien. Klasse 2 Materialien werden als generelle Elektrodenmaterialien betrachtet, da sie in einem weiten Bereich von Materialien und Bedingungen anwendbar sind.
Klasse 2 Materialien umfassen Kupferchrom(CuCR)-Legierungen und Kupferchromzirkonium(CuCrZr)-Legierungen. Tabelle

RWMA Gruppe Klasse Legierungen HRB Minimale elektrische Leitfähigkeit

A 1 CuZr, CuCd 55 bis 65 80

2 CuCr, CuCrZr 65 bis 75 75
Die in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen sind entweder aus Klasse 1 oder Klasse 2 Materialien hergestellt. Die Nutzung von Klasse 2 Materialien kann jedoch einige Modifikationen bei der Auslegung der Rippen nach sich ziehen. Im Speziellen kann es vorteilhaft sein, die Anzahl der Rippen auf sechs oder vier zu reduzieren und/oder den Neigungswinkel 66 in derartigen Situationen zu erhöhen.
Während der Herstellung und den bisherigen Tests wurde eine weitere Ausführungsform der bevorzugten gerippten Elektrode 50 produziert, bei der die Vielzahl der Rippen 58 nicht symmetrisch in ihrer Anordnung oder Orientierung in dem Wasserspeicher 51 ist. Diese Ausführungsform der gerippten Gestaltung ist in den 12 und 13 dargestellt, wobei 12 ein Foto des Wasserspeichers 51 und 13 eine auf 12 basierende Zeichnung ist. Während der bisher durchgeführten Tests haben diese leicht abgeschrägten oder abgekanteten Rippen sogar mehrere vorteilhafte Wirkungen und führen zu einer Kühlung, die theoretisch wenigstens teilweise aus den vergrößerten Turbolenzen oder einem möglichen Wirbel des Wassereinlassstroms aufgrund der asymmetrischen Orientierung und Natur dieser Rippen resultiert.
Wie aus den 12 und 13 ersichtlich wird, sind die Rippen 58 nicht präzise entlang der Mittelachse der gerippten Elektrode 50 ausgerichtet. Dies wird z. B. durch die Mittelachse 84 und die Rippenmittelachse 82 veranschaulicht. Die Mittelachse 84 erstreckt sich durch den Mittelpunkt 70 und das Zentrum einer Rippe 58 an dem abgerundeten Übergang 64. Die Rippenmittelachse 82 erstreckt sich durch das Zentrum des abgerundeten Übergangs 64 und des abgerundeten Übergangs 62. Der Winkel 84 ist als Winkel zwischen der Mittelachse 84 und der Rippenmittelachse 82 festgelegt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Winkel 84 ungefähr 2.26°. Es ist jedoch angedacht und, wie nachstehend offenbart, beabsichtigt, dass der Winkel 84 zwischen einem und vier oder fünf Grad variieren kann, während er immer noch die beschriebenen Wirkungen erzielt und weiterhin eine ausreichende strukturelle Tragfähigkeit und Versteifung der gerippten Elektrode erzeugt, um effektiv unter den vorgesehenen Nutzungsbedingungen zu funktionieren.
Wie aus den 12 und 13 ersichtlich wird, müssen nicht alle Rippen 58, wenn auch bevorzugt, präzise und gleichmäßig entlang der longitudinalen Tiefe des Wasserspeichers 51 angeordnet sein. Die meisten der dargestellten Rippen 58 zeigen beispielsweise proportionierte geneigte Seiten 60. Einige der Rippen 58 zeigen jedoch ungleichmäßige geneigte Seiten 60.2 und 60.4. Im speziellen scheint die geneigte Seite 60.4 in den 12 und 13 länger als die geneigte Seite 60.2 zu sein, was damit zusammenhängt, dass einige der Rippen, wie voranstehend beschrieben, leicht in der einen oder anderen Richtung abgekantet sind. Falls bevorzugt können ähnliche Konstruktionen und vorteilhafte Wirkungen auch mit anderen Mitteln erreicht werden, z. B. durch Erzeugen einer ähnlichen Geometrie oder bei der Ausbildung der Formfläche des voranstehend beschriebenen Stößels 120.

14 zeigt ein Diagramm 200. Das Diagramm 200 umfasst die Ergebnisse eines mit einer gerippten Elektrode 50 ausgeführten Dauertests mit dem unterhalb der Tabelle 1 dargestellten Schweißzeitplans. Das Diagramm 210 zeigt die Knopfgröße gegenüber der Anzahl der Schweißnähte und Diagramm 220 zeigt den Schweißstrom gegenüber der Anzahl der Schweißnähte. Die Steuerlinie 230 stellt die minimale akzeptable Kopfgröße von 4 mm dar. Tabelle

Kappengröße	B-Nase mit 4.75 mm Schweißfläche
zuschweißende Materialien	1.0 mm DDQ schmelztauchverzinktes Blech (Mild Galvanneal) bis 1.0 mm DDQ schmelztauchverzinktes Blech (Mild Galvanneal)
Schweißkraft	272,16 kg
Druckzeit	60 Arbeitsgänge
Schweißzeit	13 Arbeitsgänge
Haltezeit	5 Arbeitsgänge
Stepper	Keine
Schweißnähte pro Minute	30
Wasserstrom	5,7 k/m

Bezüglich der Anlageflächendicke D für die gerippten Elektroden 50, 130, 140 und 150 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wurde festgestellt, dass die bevorzugte Anlageflächendicke D zwischen 6 und 10 mm liegt. In Abhängigkeit von ihrer Anwendung kann dieser Abstand in der hergestellten Elektrode vergrößert werden, um ein Abrichten der Spitze zuzulassen, falls dies von einzelnen Benutzern gewünscht wird. In einer Ausführungsform können über das Abrichten bis zu 4 mm des Materials entfernt werden und entsprechend wird die Anlageflächendicke D um 4 mm reduziert. Bei anderen Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass eine 10 mm große Anlageflächendicke effektiv für Produktionsvorgänge genutzt werden kann und die Elektroden dann mehrfach wieder aufgearbeitet werden können, um bis zu 4 mm Material abzutragen, wobei dann noch immer eine 6 mm starke Anlageflächendicke vorhanden ist, die zufriedenstellende Ergebnisse bei den meisten Anwendungen liefert.
Die mit Bezug auf die Figuren detailliert dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind lediglich als beispielhaft und nicht beschränkend zu betrachten. Es ist offensichtlich, dass nur bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden und das sämtliche Veränderungen und Modifikationen ebenfalls vom Schutzbereich dieser Anmeldung umfasst werden.
Zusammenfassung
Gerippte Widerstandspunktschweißelektrode
Die vorliegende Erfindung betrifft eine gekühlte Schweißelektrode mit einer Vielzahl von Rippen in einem Wasserspeicher, wobei die Rippen zwischen 10 Grad und 45 Grad geneigt sind.

Claims

Schweißelektrode mit: einem Gehäuse, das ein offenes Ende, ein geschlossenes Ende und einen darin ausgebildeten Wasserspeicher aufweist, welcher sich von dem offenen Ende in Richtung des geschlossenen Endes erstreckt, wobei der Wasserspeicher einen Endwandabschnitt und einen Seitenwandabschnitt umfasst; einem dem offenen Ende benachbarten Befestigungsabschnitt; einem zu dem geschlossenen Ende benachbarten Spitzenabschnitt; und einer Vielzahl von in dem Wasserspeicher ausgebildeten Rippen, die sich zwischen dem Endwandabschnitt und dem Seitenwandabschnitt erstrecken, wobei die Rippen jeweils eine erste und eine zweite geneigte Seite aufweisen, die um einen Neigungswinkel zwischen 10 Grad und 45 Grad geneigt sind.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, wobei der Neigungswinkel im wesentlichen 22 Grad beträgt.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Seitenwandabschnitt einen geraden Wandabschnitt, der sich im wesentlichen parallel zu dem Gehäuse erstreckt, und einen konischen Abschnitt aufweist, der sich abgewinkelt zwischen dem geraden Wandabschnitt und dem Seitenwandabschnitt erstreckt.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–3, wobei sich im wesentlichen kein Abschnitt der Rippen in den Wasserspeicher hinein erstreckt.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Anzahl der Rippen zwischen 6 und 10 liegt.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–5, mit einem offenen Bereich an dem Endwandabschnitt, an dem Rippen einander nicht berühren.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Rippen zwischen dem Seitenwandabschnitt und dem Endwandabschnitt zwischen 20 und 40 Grad abgewinkelt verlaufen.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Mittelachse der Rippen zwischen 1 und 5 Grad abgewinkelt zu der Mittelachse des Gehäuses verlaufen.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Rippen nicht entlang der longitudinalen Tiefe des Wasserspeichers ausgerichtet sind, so dass die ersten und zweiten geneigten Seiten von dem offenen Ende aus gesehen ungleich sind.
Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Schweißelektrode aus einer Kupferlegierung mit einer minimalen Rockwell-Härte von 55 auf der B-Skala hergestellt ist.
Schweißelektrode nach Anspruch 10, wobei die Kupferlegierung aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: CuZr, CuCd, CuCr und CuCrZr.
Verfahren mit den Schritten von: Bereitstellen einer Kupferlegierung mit einer minimalen Rockwell-Härte von 55 auf der B-Skala; Abschneiden eines Rohlings von dem Material; Kaltverformen des Rohlings in einer ersten Form, um die Enden des Rohlings zuglätten und den Außendurchmesser des Rohlings zu erhöhen; Kaltverformen des Rohlings in einer zweiten Form, um dem Rohling eine gewölbte Ausnehmung an seiner Rückseite anzuformen und um den Außendurchmesser des Rohlings zu erhöhen; Kaltverformen des Rohlings in einer dritten Form, um den Außendurchmesser des Rohlings zu erhöhen; und Kaltverformen des Rohlings in einer vierten Form zur Erhöhung der Größe und der Tiefe der Ausnehmung an der Rückseite des Rohlings, um die volle Tiefe des Wasserspeichers mit einer Vielzahl von Rippen auszuformen, von denen jede eine erste und eine zweite geneigte Seite aufweist, die um einen Neigungswinkel zwischen 10 und 45 Grad geneigt sind.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend den Schritt von: Kaltverformen des Rohlings in einer dritten Form, um dem Wasserspeicher eine Verjüngung anzuformen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, ferner umfassend den Schritt von: Herstellen der Nasengeometrie einer Schweißelektrode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–14, ferner aufweisend den Schritt von: Kaltverformen des Rohlings in der zweiten Form, um eine 1,02 mm tiefe Ausnehmung an der Rückseite des Rohlings anzuformen.