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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität auf der Grundlage der vorläufigen Anmeldung 61/527 155 mit dem Titel „Weld Schedule for Resistance Spot Welding of Aluminum alloy Workpieces”, eingereicht am 25. August 2011, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft eine Verbesserung bei der Bildung von Widerstandspunktschweißnähten in Aluminiumausgangslegierungs-Werkstückstapeln. Im Spezielleren sieht diese Erfindung ein Verfahren zur Verwendung der variierten Anwendung von Stromflusswerten und -dauern in solch einer Widerstandspunktschweißung in drei getrennten Schritten oder Stufen vor, um zuzulassen, dass die Schweißflächen der Elektroden besser in die Aluminiumwerkstücke eingreifen, um die Bildung der geschmolzenen Schweißlinse in der Mitte der Stoßflächenkontaktzonen besser zu initiieren, und um die Ziel-Schweißlinsengröße schnell zu erreichen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Das Widerstandspunktschweißen umfasst typischerweise das Pressen von runden Schweißoberflächen von zwei gegenüberliegenden hoch leitfähigen Kupferelektroden gegen gegenüberliegende Seiten von zwei oder drei überlappenden Metallblechen (gelegentlich als eine „Aufschichtung” bezeichnet) und das Leiten eines elektrischen Stromes für eine Zeitspanne von einigen Millisekunden bis zu einigen hundert von Millisekunden zwischen die Elektroden durch die Bleche hindurch, um eine Schweißlinse an der Blech/Blech-Grenzfläche, die als die Stoßfläche bezeichnet wird, zu bilden.
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Das Widerstandspunktschweißen von Aluminiumwerkstücken (typischerweise Legierungen auf Aluminiumbasis, die 85 Gewichts-% oder mehr Aluminium enthalten) in Großserie ist in der Automobilindustrie aufgrund mehrerer Probleme sehr schwierig. Die Werkstücke sind oft gewalzte Aluminiumlegierungsblechmaterialien, können aber auch Stranggussprofile oder Gussteile mit einer geeigneten komplementären Form für das Punktschweißen sein. Während komplementär geformte Karosserieblechteile auf Aluminiumlegierungsbasis miteinander angeordnet und mithilfe einer geeignet angeordneten Reihe von Punktschweißnähten gefügt werden können, können die Werkstücke aus gleichen oder unterschiedlichen Dicken der gleichen oder unterschiedlicher Aluminiumlegierungen bestehen, die auf der Oberfläche beschichtet sind, und können entlang ihrer Schweißflansche aufgebrachte Kleber oder Dichtmittel aufweisen. Es können kleine Zwischenräume zwischen den zusammengebauten Blechteilen vorhanden sein und es kann/können eine oder beide der gegenüberliegenden Schweißelektroden unter einem Winkel positioniert sein, der von ihrer vorgesehenen Schweißposition geringfügig verschieden ist.
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Eines der Hauptprobleme ist das Vorhandensein eines hartnäckigen, anhaftenden, nicht-leitenden Oxidfilms auf der Aluminiumsubstratoberfläche. Dieser Oxidfilm kann zu einem übermäßigen Überhitzen an beiden Elektrode/Blech-Grenzflächen wie auch an der Blech/Blech-Stoßfläche führen. Typische Lösungen für das Problem des Elektrode/Blech-Grenzfläche-Überhitzens umfassen die Verwendung von Elektroden, die mit großen, flachen Schweißflächen konstruiert sind, welche die Stromdichte und somit die Erwärmung an diesen Stellen reduzieren. Die Verwendung von großen, flachen Elektroden bringt unerwünschte Konsequenzen für die Fertigung mit sich. Diese Arten von Elektroden sind 1) empfindlich gegenüber Zwischenräumen zwischen Werkstücken, 2) empfindlich gegenüber der Elektrodenorientierung, d. h. sie stehen schräg zu den oder nicht normal auf die Werkstückfläche, und 3) erfordern große Flansche auf den Werkstücken, um den großen Elektrodenkörperdurchmesser und die Schweißfläche auf der Elektrode unterzubringen.
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Verschiedene Elektrodenkonstruktionen und Elektrodenfräsverfahren, die auf diese Probleme abzielen, finden sich in Patenten und Patentanmeldungen einschließlich eines oder beider der gegenständlichen Erfinder, die sich im Besitz des Antragstellers dieser Erfindung befinden: dem US-Patent #6 861 609 (3/1/2005) und den als 20100258536, 20090302009, 2090255908, 20090127232, 20080078749, veröffentlichten U.S.-Patentanmeldungen. Das Problem des Oxidfilms und die resultierende Elektrode/Blech-Überhitzung wurde durch Anordnen geometrischer Merkmale wie z. B. eine Mikrostrukturierung oder eine Reihe von Erhöhungen und Nuten auf der Schweißfläche angesprochen, die unter der Schweißkraft die Oxidschicht auf dem Aluminium durchdringen, um den Kontaktwiderstand und die Wärmeentwicklung an der Grenzfläche zu verringern. Die Reduktion der Elektrode/Blech-Erwärmung hat zwei direkte Vorteile. Erstens erlaubt sie die Verwendung einer kleineren Elektrode mit weniger thermisch wirksamer Masse, was die Anforderungen an den Flansch verringert. Zweitens gestattet sie die Verwendung einer kleineren Elektrodenschweißflächenkrümmung, welche den Schweißstrom besser konzentriert. Dies macht das Schweißverfahren viel weniger empfindlich gegenüber der Elektrodenorientierung auf dem Werkstück, d. h., die Elektrode steht schräg in Bezug auf das Werkstück, und dem Vorhandensein von Zwischenräumen zwischen den Werkstückflächen.
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Trotz dieser sehr deutlichen Verbesserungen in der Verfahrensleistung, die durch Lösen des Problems des hohen Kontaktwiderstandes an den Elektrode/Blech-Grenzflächen erzielt wurden, bleiben Probleme, die es zu lösen gilt, bevor das Aluminium-Punktschweißverfahren als hinreichend robust zur Massenproduktion angesehen werden kann. Viele dieser Probleme stehen mit dem Vorhandensein von Oberflächenoxidfilmen an der Blech/Blech- oder Stoßgrenzfläche in Beziehung, die durch Modifikationen an der Elektrodenschweißfläche unberührt bleiben. Diese Probleme stehen zum Teil mit der Natur des beim Kraftfahrzeugaluminiumschweißen typischerweise verwendeten Gleichstromschweißverfahrens in Beziehung, der als Mittelfrequenzgleichstrom oder MFDC (von Medium Frequency Direct Current) bezeichnet wird. Dieses Verfahren verwendet eine Wechselrichter-Schweißsteuerung, die ein 60 Hz Dreiphasen-Wechselstrompotenzial mit 480 Volt RMS (in den Vereinigten Staaten) empfängt und eine einphasige Rechteckwelle mit einer höheren Spannung, etwa 650 Volt, bei einer Frequenz von ungefähr 1000 Hz an den MFDC-Transformator ausgibt. Der Transformator reduziert die von der Schweißsteuerung gelieferte Hochspannungswellenform auf eine viel niedrigere Schweißspannung (z. B. 13 Volt bei einem Transformator-Wicklungsverhältnis von 50:1) mit einem viel höheren Strom. Die an dem Transformator ausgegebene Niederspannungs-Rechteckwelle wird dann mit Hochleistungsdioden gleichgerichtet, um einen Gleichstrom für die Zufuhr an die Schweißelektroden und die Aufschichtung von Werkstücken bereitzustellen. Während der Geräteeinstellung für die Produktion vieler gleicher Schweißnähte auf einer Reihe von Werkstücken werden ein/e geeignete/r Schweißstrom und Schweißzeit vorbestimmt. Dann wird der MFDC-Schweißcontroller programmiert, um einen nahezu konstanten Strom (z. B. fünfundzwanzig bis dreißig Kiloampere) über einen Schweißzyklus von etwa 250 bis 300 Millisekunden an die gegen ein Werkstück gepressten Schweißelektroden zu liefern. In jedem Gleichstromverfahren und insbesondere einem, bei dem der Stromfluss so programmiert ist, dass er nahezu konstant ist, z. B. beim MFDC, wird eine Elektrode (die positive) deutlich heißer als die andere Elektrode (die negative), wenn sie in Kontakt mit Aluminiumsubstraten stehen. Diese Temperaturvorspannung der Elektroden kann die/das Schweißlinsenbildung und -wachstum, insbesondere bei Stapelungen von Blechwerkstücken, die asymmetrisch in Bezug sowohl auf die Dicke, d. h. hohe Dick/Dünn-Verhältnisse als auch das Material sind, z. B. beim Schweißen einer Aluminiumlegierung 5754-O an ein Blech aus der Aluminiumlegierung 6111-T4. Die Zuammensetzungsgrenzen für AA5754-0 betragen 2,6–3,6% Mg, < 0,4% Si, < 0,5% Mn, < 0,4% Fe und < 0,1% Cu (der Rest ist im Wesentlichen Aluminium), während die Zuammensetzungsgrenzen für die wärmeaushärtbare AA-6111-T4 0,5–1,0% Mg, 0,6–1,1% Si, 0,1–0,45% Mn, < 0,4% Fe und 0,5–0,9% Cu betragen. Dies führt zu Aufschichtungen, die in einer Orientierung in Bezug auf die Elektrodenpolarität besser schweißen als in die andere, einschließlich der Erzeugung größerer Schweißnähte oder größerer Schweißdurchdringungen in einer Orientierung als in der anderen, was bei Produktionsbetrieben nicht ideal wäre. Außerdem ist die heißer werdende positive Elektrode anfälliger auf Verschleiß und kann daher die Elektrodenhaltbarkeit reduzieren, da sie ein häufigeres Fräsen erfordert.
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Zusätzlich zu den Polaritätseffekten können die Standard-Konstantstromschweißpläne, die in Produktionsanwendungen des Aluminiumpunktschweißens verwendet wurden, andere unerwünschte Probleme mit sich bringen. Diese Pläne basieren auf der Anwendung eines konstanten Stromes, z. B. 27 kA, über eine vorgegebene Zeit, z. B. 200 Millisekunden (ms) bei einer konstanten Kraft der Elektroden gegen die Werkstückflächen.
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Die Probleme, die entdeckt wurden, umfassen übermäßigen Elektrodenverschleiß, eine Empfindlichkeit gegenüber der Schweißnahtbeabstandung für dicke Aufschichtungen, eine uneinheitliche Größe und Qualität der ersten Schweißnaht, Schweißnahtmikrostrukturen, die unerwünschte Schweißnahtbruchmodi zur Folge haben, und Schweißnahtformen, die zu einem frühzeitigen Auspressen und einer schlechteren Schweißnahtqualität führen. Die unerwünschten Bruchmodi, die bei Schäl- oder Zugbelastung auftreten, umfassen eine Schweißnahtbruchbildung entlang der Stoßgrenzfläche oder eine Bruchbildung um den Schweißlinsenumfang herum und somit keine Ausbildung einer Warze, die vollständig durch die Blechdicke hindurch zieht. Schließlich sind die Standard-Konstantstromschweißpläne weniger robust in Gegenwart von Dichtmitteln oder Klebern. Wenn Kleber oder Dichtmittel vorhanden sind, neigen diese Pläne dazu, Linsen mit mehr Fehlstellen zur Folge zu haben, die zum Brechen in unerwünschten Modi neigen, insbesondere wenn sie einer Schälbelastung ausgesetzt sind.
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Es besteht Bedarf an verbesserten Techniken zum Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungsblechwerkstücken und anderen Werkstückformen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Anwendungen der Erfindung werden unter Verwendung einer Aufschichtung (einer Anordnung) von zwei oder drei Blechwerkstücken auf Aluminiumlegierungsbasis beschrieben. Blechwerkstücke weisen oft eine Dicke im Bereich von etwa einem halben bis zu etwa vier Millimeter auf und eine Aufschichtung zum Schweißen kann aus den gleichen oder unterschiedlichen Aluminiumlegierungen und von unterschiedlichen Dicken gebildet werden. Bei vielen Schweißabläufen können mehr als eine Schweißnaht simultan auf einer Aufschichtung von Blechen gebildet werden und während einer Arbeitsschicht können mit einer Schweißgeräteeinstellung hunderte von Schweißnähten auf vielen Aufschichtungen gebildet werden. Es ist notwendig, die/das Schweißausrüstung und -verfahren zu regeln, um zuverlässig und wiederholbar gleichmäßig gute Schweißnähte auf Aluminiumlegierungswerkstücken herzustellen.
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Die Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Entdeckung, dass gute Schweißnähte auf Aluminiumwerkstücken zuverlässiger gebildet werden können, indem der Schweißstrom in getrennten Schweißstufen oder -schritten während der Bildung jeder Widerstandspunktschweißnaht variiert wird. In Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung wird der Schweißstrom mit verschiedenen Pegeln in drei spezifischen Schritten eines jeden Punktschweißzyklus mit Abkühlzeiten oder „Aus”-Zeiten zwischen jedem Schritt angelegt. Die Ausrüstung für die Versorgung der Schweißelektroden mit der Gleichstromwellenform umfasst üblicherweise eine Schweißzange mit entweder hoch leitfähigen Armen oder hoch leitfähigen Kabeln für die Versorgung der Elektroden mit dem Strom, einen MFDC-Transformator und eine programmierbare elektronische Wechselrichtersteuerung. Um die richtige Wellenform zum Schweißen von Aluminiumwerkstücken mit Kraftfahrzeugblechstärken bereitzustellen, muss das Schweißsystem, d. h. die programmierbare Wechselrichter-Schweißsteuerung, der MFDC-Transformator und die Schweißzange in der Lage sein, eine hohe Stromabgabe und schnelle Anstiegszeiten bereitzustellen, die mit einem programmierten Plan an die Schweißelektroden geliefert werden, welcher während der Geräteeinstellung für die Schweißarbeit festgelegt wird. Solche Teile dieses Schweißsystems sind im Handel erhältlich. Die an der Elektrode gemessenen Stromanstiegszeiten sollten bevorzugt in der Größenordnung von ~10 ms liegen, um 40 kA oder ~4 kA/ms zu erreichen. Wesentlich langsamere Anstiegszeiten werden nicht in der Lage sein, die erwünschten Wellenformen zufriedenstellend zu erzeugen und die Schweißleistung wird beeinträchtigt sein. Jeder Teil des Schweißzangensystems, d. h. die Steuerung, der Transformator und die Zange, beeinflusst sowohl den maximalen Stromausgang als auch die Stromanstiegszeit.
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Die erste Stufe des Punktschweißverfahrens wird als ein/e Konditionierungsstufe oder -schritt angesehen. Sie/er beginnt, wenn zwei gegenüberliegende Schweißelektroden positioniert wurden, um mit einer vorbestimmten stabilen Klemmkraft in eine Aufschichtung aus z. B. zwei Blechwerkstücken einzugreifen. Die elektronische Steuerung wird betrieben, um die von dem Schweißtransformator gelieferte Spannung zu begrenzen. Dies kann bewerkstelligt werden, indem die programmierbare Schweißsteuerung in einen geeigneten automatischen Spannungsausgleichsmodus (AVC, von automatic voltage compensation) oder einen ähnlichen Modus versetzt wird. Als eine Alternative zu dem Spannungsausgleichsmodus kann der Konditionierungsstrom in einem Konstantstrommodus mit einem sanften Anstieg über 10 ms oder mehr von einem niedrigen Stromwert (~3 kA) bis zu einem endgültigen erwünschten Konditionierungsstrom programmiert sein. Wiederum besteht das Ziel darin, einen konstanten stabilen Widerstand an der Schweißstelle zu erhalten, und dabei nicht zuzulassen, dass das Blech an der Stoßgrenzfläche schmilzt. Der Strom wird über wenige Millisekunden allmählich auf einen Pegel gebracht, um den elektrischen Widerstand auf einen gleich bleibenden niedrigen Wert an sowohl den Elektroden/Blech-Grenzflächen als auch den darunter liegenden Stoßflächen herabzusetzen. In vielen Schweißeinstellungen steigt der Strom von etwa 3 kA auf etwa 10 kA an. Im Allgemeinen wird es bevorzugt, den Strom auf einen Pegel genau unter jenem einzustellen, bei dem das Schmelzen des Substrats stattfindet. Der Stromfluss in dieser Konditionierungsstufe wird für etwa 20 ms bis etwa 60 ms aufrechterhalten. Der Stromfluss wird geeigneterweise für eine Zeit aufrechterhalten, um einen stabilen und gleich bleibenden Strompegel zu erhalten.
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Während dieses Konditionierungsschrittes wird die Elektroden/Blech-Grenzfläche erwärmt; wobei geformte Merkmale der Elektrodenschweißflächen zugelassen sind, um einen besseren Kontakt durch die Oxidschichten hindurch und mit den Metallwerkstückoberflächen herzustellen. Der zwischen den Elektroden gemessene Widerstand nimmt ab und die Einstellung ist nun besser für die Initiierung und das Wachstum der geschmolzenen Schweißlinse vorbereitet. Der Stromfluss wird von der Schweißsteuerung für etwa 10 ms ausgeschaltet, um die Elektroden in Vorbereitung auf die nächste Stufe in diesem Punktschweißverfahren vorzubereiten. Diese Länge der Ausschaltzeit lässt zu, dass der Strompegel auf null abfällt. Es könnten längere Abkühlzeiten verwendet werden, die aber nur den Schweißmaschinendurchsatz verringern würden.
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Die zweite Stufe unseres Punktschweißverfahrens ist eine Schweißlinsenformgebungsstufe. Diese Formgebungsstufe ist geplant, um die Bildung einer guten, runden, zentrierten (auf der Achse der gegenüberliegenden Elektroden), geschmolzenen Schweißlinse trotz der Polarität der Schweißelektroden oder der leicht schrägen Ausrichtung der Elektroden zu dem Werkstück oder der nicht idealen Einpassung der Werkstücke oder des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von nicht-metallischen Klebern oder Dichtmitteln an den Stoßflächen zu initiieren. Dies wird bewerkstelligt, indem bewirkt wird, dass der Strom mit einem relativ hohen Wert (z. B. zwischen 20 kA und 50 kA) über eine relativ kurze Zeitspanne, z. B. eine minimale Zeit von etwa sechs bis zehn Millisekunden und geeigneterweise etwa sechs bis fünfzig Millisekunden, fließt. Der hohe Zielstrom und die kurzen Zeiten erfordern die Verwendung geeigneter Schweißsystemkomponenten. Wie zuvor erläutert, müssen die Wechselrichter-Schweißsteuerung, der MFDC-Transformator und die Schweißzange, um den Ziel-Formgebungsstrom über diese kurzen Zeiten zu erreichen, geeignet ausgeführt sein, um in der Lage zu sein, den Zielstrom und die Stromanstiegszeit zu erreichen. Langsame Anstiegszeiten verhindern das Erreichen des Zielstromes innerhalb des kleinen Zeitfensters des Formgebungsschrittes, das für die Funktion dieses Schrittes notwendig ist. Langsame Anstiegszeiten können in einer langsamen Schweißsteuerungshardware oder -software, einer unzureichenden MFDC-Transformator-spannung oder einer hohen Schweißzangeninduktivität begründet sein. Der Zweck dieses Hochstromschrittes besteht darin, die Bildung einer flüssigen (geschmolzenen) Schweißlinse in der Mitte der Stoßflächen-Kontaktzone so schnell wie möglich zu initiieren. Diese Stufe wird kurz gehalten, während danach getrachtet wird, die Bildung einer Schweißlinse, geeigneterweise mit einem Durchmesser von mindestens drei Millimeter, zu beginnen. Der Strompegel wird ausreichend niedrig gehalten, um ein Kleben zwischen den Elektroden und den Werkstücken zu vermeiden und ein Auspressen von Metall an der Elektroden/Blech-Grenzfläche zu vermeiden. Die Festlegung des Stromes und der Zeit für die Einstellung für zu schweißende Aluminiumwerkstücke kann aus Erfahrung oder mithilfe von Versuchen bestimmt werden. Es kann ein Auspressen an der Stoßfläche stattfinden, aber da sich die Schweißlinse noch nicht vollständig gebildet hat, verursacht es keinen Schaden an der/den endgültigen Linsenstruktur oder -eigenschaften. Wenn es sich als notwendig erweist, eine Formgebungszeit von mehr als etwa dreißig Millisekunden zu verwenden, wird bevorzugt, zwei kürzere Stromimpulse mit einer dazwischenliegenden Abkühlzeit oder Ausschaltzeit zu verwenden, um den Strom zu reduzieren.
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Sobald die Linsenformgebung beendet ist, wird der Strom von dem Controller für etwa fünf Millisekunden ausgeschaltet, um zuzulassen, dass er abnimmt. Der Grund für diese Strom-Ausschaltzeit ist ein zweifacher. Erstens wird dadurch eine gewisse Kühlung an der Elektroden/Blech-Grenzfläche zugelassen. Zweitens wird dadurch verhindert, dass die initiierte geschmolzene Schweißlinse überhitzt. Das Entfernen dieses Kühlschrittes führt typischerweise zu einer Überhitzung während des Dimensionierungsschrittes und zu einem starken Grenzflächenauspressen. Das Zulassen, dass die initiierte Linse abkühlt, hilft dabei, den Prozess unter Kontrolle zu bringen. Allerdings kann dieser Kühlschritt nicht so lang sein wie die Linsenverfestigung stattfindet. Wenn die Linse sich verfestigen sollte, würde sie als ein Kurzschluss zwischen den Blechen wirken und ein weiterer Stromfluss während des Dimensionierungsschrittes würde nicht die erwünschte Schweißnahtgröße erzielen.
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Die dritte Stufe des Schweißverfahrens sorgt für das Wachstum und die Dimensionierung der nun initiierten Schweißlinse. Diese Dimensionierungsstufe wird eingeleitet, während sich die Linse noch in einem geschmolzenen Zustand befindet. In der Dimensionierungsstufe wird ein niedrigerer Schweißstrom verwendet als in der Linsenformgebungsstufe. In dieser dritten Stufe kann z. B. ein Schweißstrom von etwa 15 bis etwa 40 kA geeignet sein. Die Dimensionierungszeit wird auf der Basis der Dicke des dünnsten Blechs in einer Aufschichtung aus zwei Blechen und auf der Dicke des zweitdünnsten Blechs in einer Aufschichtung aus drei Blechen bestimmt. Es wird eine Schweißlinse mit einer geeigneten Größe, z. B. einem Durchmesser von etwa sechs Millimeter für ein zwei Millimeter dickes Blech, erzeugt. Der Strom wird angepasst, um eine gewünschte Schweißlinsengröße zu erreichen. Und die Zeit dieser Stufe ist die längste des gesamten Schweißplanes und benötigt oft zwischen etwa zwanzig Millisekunden bis etwa zweihundert Millisekunden. Wenn der Schweißelektrodenverschleiß übermäßig ist, kann es bevorzugt sein, den Stromfluss in kurzen Impulsen von etwa zehn bis etwa dreißig Millisekunden Heizdauer (Einschaltzeit) mit kurzen Abkühlzeiten (Ausschaltzeit) von einer Millisekunde bis zehn Millisekunden zu unterbrechen.
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Abgesehen von den kurzen Abkühlzeiten zwischen den Punktschweißstufen ist das Schweißverfahren kontinuierlich und benötigt typischerweise weniger Gesamtschweißzeit (die kombinierten Zeiten von Stufe 2 und Stufe 3) als das herkömmliche MFDC- oder AC-Punktschweißen von Aluminium. Es hat sich gezeigt, dass der dreistufige Schweißplan dieser Erfindung zuverlässiger gute Schweißnähte erzeugt, und dieses Ergebnis wird über die Bildung vieler Schweißnähte erreicht. Ferner wird weniger Leistung verbraucht.
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Weitere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die in dieser Patentbeschreibung folgt, offensichtlich. In dieser Patentbeschreibung wird auf die Zeichnungsfig. verwiesen, die in dem folgenden Abschnitt dieser Patentbeschreibung beschrieben sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Seitenansicht eines Schweißsystems, welches Schweißelektroden umfasst, und von zwei Aluminiumlegierungsblechwerkstücken, wie sie bei der praktischen Anwendung der Schweißverfahren dieser Erfindung verwendet werden können.
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2 ist ein Graph des Schweißstromes (Strichpunktlinie), der Spannung (Kurzstrichlinie), der Leistung (Strichpunkt-Punkt-Linie) und des Widerstandes (Volllinie) als eine Funktion der Zeit für eine Aufschichtung eines 2,0 mm dicken AA5754-Blechs auf einem 2,0 mm dicken AA5754-Blech, geschweißt mit einem herkömmlichen kontinuierlichen Konstantstrom-Widerstandspunktschweißplan.
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3 ist ein Graph, der die Schweißnahtgrößen für eine unter drei verschiedenen Bedingungen mithilfe eines kontinuierlichen Konstantstromplanes geschweißten 2,0-mm-5754-Aufschichtung zeigt. Die Schweißnahtgröße ist als eine Funktion der Schweißzeit für einen kontinuierlichen Konstantstromplan gezeigt. Die Schweißnahtgrößen sind für Prüfkörper in drei Zuständen, d. h. flache Prüfkörper oder Prüfkörper, die normal auf die Elektrode orientiert sind (in 2 als „Flansch” mit rautenförmigen Datenpunkten gezeigt), Prüfkörper 6° schräg zu der Elektrode (dreieckige Datenpunkte) und Prüfkörper mit einem 0,8 mm Zwischenraum (quadratische Datenpunkte) gezeigt. Die offenen Symbole stellen Proben mit unerwünschten Bruchmodi, d. h. Flächenrissen oder halben Warzen, dar.
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4 ist ein Graph des Schweißstromes (Strichpunktlinie), der Spannung (Kurzstrichlinie), der Leistung (Strichpunkt-Punkt-Linie) und des Widerstandes (Volllinie) als eine Funktion der Zeit für eine Aufschichtung eines 2,0 mm dicken AA5754-Blechs auf einem 2,0 mm dicken AA5754-Blech, geschweißt mit dem Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungs(CSS, von Conditioning, Shaping, Sizing)-Plan dieser Erfindung.
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5 ist ein Graph der Schweißnahtgrößen als eine Funktion der Schweißzeit für einen Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungs-Schweißplan. Die Schweißnahtgrößen sind für Prüfkörper in drei Zuständen, d. h. flache Prüfkörper (Flansch, rautenförmige Datenpunkte), Prüfkörper 6° schräg zu der Elektrode (dreieckige Datenpunkte) und Prüfkörper mit einem 0,8 mm Zwischenraum (quadratische Datenpunkte) gezeigt. Wiederum stellen die offenen Symbole Proben mit unerwünschten Bruchmodi, d. h. Flächenrissen oder halben Warzen, dar.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Der Schweißplan dieser Erfindung kann mithilfe einer Schweißausrüstung wie der in 1 schematisch veranschaulichten praktisch angewendet werden. 1 in dieser Patentbeschreibung ist auch als 1 im Wesentlichen wie folgt in unserer gemeinsam anhängigen U.S.-Patentanmeldung, veröffentlicht als U.S. 2011/0266260, und auch als 1, wie in der U.S. 6 861 609 eines von uns beschrieben, dargestellt und beschrieben.
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In 1 ist ein repräsentatives Punktschweißpistolengerät 10 mit der dazugehörigen Ausrüstung (die Objekte 30, 32, 34, 36, 38, 40 und 42, wie nachfolgend beschrieben), die in einem Punktschweißgerät für (ein) Werkstücke) auf Aluminiumlegierungsbasis veranschaulicht. In solchen Schweißabläufen wird eine Anordnung von zwei oder mehr zu schweißenden Aluminiumlegierungsblechtafeln 12 und 14 vorbereitet, und von einer Fördereinrichtung oder einer anderen Vorrichtung zu dem Schweißzangengerät 10 geliefert. Das Schweißzangengerät ist typischerweise auf einem Roboter befestigt, der das Schweißzangengerät entlang der Kanten (z. B. der Flansche zum Schweißen) von Aluminiumlegierungsblechtafeln 12, 14 bewegt, um schnell eine Abfolge von einzelnen elektrischen Widerstandsschweißnähten fertigzustellen.
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In 1 sind die Metalltafeln 12 und 14 zwischen einem Paar axial ausgerichteter und gegenüberliegender Elektroden 16 und 18 eines Schweißzangenarmes 20 positioniert [engl.: poised] gezeigt. Der Zangenarm 20 ist wie ein C ausgestaltet, sodass die Schweißflächen (52 für die Elektrode 16) von gegenüberliegenden Elektroden 16 und 18 dazu gebracht werden können, auf gegenüberliegende Seiten der Aluminiumlegierungstafeln 12, 14 zu liegen und zu pressen. In der gezeigten Anordnung ist die Elektrode 16 auf einem Schaft 17 befestigt, der in einer Halterung 22 eingesetzt ist, welche an einem feststehenden Arm 24 des Schweißpistolenarmes 20 angebracht ist. Die gegenüberliegende Elektrode 18 ist auf einem Schaft 19 befestigt, der in einer weiteren Halterung 26 eingesetzt ist, welche auf einem Druckluftzylinder oder Servomotor 28 getragen ist. Der Druckluftzylinder oder Servomotor 28 ist geeignet, die Elektrode 18 axial in einen Klemmeingriff mit der Außenfläche der Tafel 14 zu bewegen. Eine Hochdruckluftquelle von einer entfernten Quelle, nicht gezeigt, liefert Luft über einen programmierbaren Luftregler 30 über eine Luftleitung 32 zu dem Zylinder 28, um die Klemmkraft bereitzustellen. Alternativ stellt eine Servomotorsteuerung Strom und Spannung an den Servomotor bereit, um das Einklemmen vorzusehen. Während einer Punktschweißsequenz rückt das/die zeitgerechte Aufbringen von Luftdruck auf den Druckluftzylinder 28 oder Bewegung des Servomotors die Halterung 26 vor, sodass die Elektrode 18 die Bleche 12 und 14 mit einer Kraft in der Größenordnung von 500 bis 1500 Pfund gegen die feststehende Elektrode 16 presst.
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Die Schweißzange 20, die typischerweise auf dem Ende eines Roboterarmes befestigt ist, ist mit einem roboterisierten Controller 34 verbunden. Der Robotercontroller 30 handhabt und betätigt den programmierbaren Luftregler 30 und betätigt auch einen programmierten Schweißcontroller 36. Der Schweißcontroller 36 regelt den Durchgang des primären Schweißstromes zu dem Schweißtransformator, der den Strom den Elektroden zuführt. Auf Befehl des Schweißcontrollers 36 wird Primärstrom über eine Primärstromleitung 38 zu dem Schweißtransformator 40 geliefert. Der Schweißtransformator 40 wandelt den Primärwechselstrom in einen sekundären Schweißstrom mit niedrigerer Spannung und höherem Wechselstrom um, der dann mithilfe geeigneter Dioden in einen Gleichstrom gleichgerichtet wird und über eine Sekundärstromleitung 42 und die Elektrodenhalterung 26 wie auch den leitfähigen Zangenarm 20 und die Elektrodenhalterung 22 bereitgestellt wird.
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Wenn ein Schweißablauf für eine neue Anordnung oder Aufschichtung von Aluminiumlegierungswerkstücken wie z. B. der Aluminiumbleche 12, 14 in 1 überlegt wird, wird üblicherweise ein reales Testen oder bisherige Schweißerfahrung berücksichtigt, um eine Schweißzangenanordnung vorzubereiten und um den zugehörigen Roboterschweißzangencontroller (z. B. den Controller 34 in 1) zu programmieren, um die Schweißzangen mit einem vorbestimmten Klemmdruck an einer Schweißstelle oder einer Reihe von Schweißstellen auf einer Aufschichtung von Werkstücken zu schließen und um die Programmierung des Schweißcontrollers 36 für den Betrieb des Schweißtransformators 40 und für die Lieferung einer geeigneten Sequenz von Schweißgleichströmen in Übereinstimmung mit den Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungsschweißschritten einer jeden in Übereinstimmung mit den praktischen Anwendungen dieser Erfindung gebildeten Schweißnaht zu bestimmen.
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Das Verfahren zur Bestimmung der Schweißströme für Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungsschweißschritte ist nachfolgend angegeben. Dies geschieht typischerweise mit Prüfkörpern, welche die zu schweißenden Metallaufschichtungen repräsentieren. Der Strom, die Spannung, die Leistung und der Widerstand an den Elektroden werden mit von der Schweißsteuerung getrennten Messgeräten überwacht. Für den Konditionierungsschritt wird der Strom auf einen Pegel genau unter jenem eingestellt, bei dem das Schmelzen des Substrats stattzufinden beginnt. Sobald dieser Strompegel bestimmt wurde, wird die Zeit eingestellt, um sicherzustellen, dass ein stabiler, gleich bleibender Widerstand zwischen den beiden Elektroden erreicht worden ist. Eine kurze Abkühl- oder Abschaltzeit wird üblicherweise nach der Konditionierung zwischengeschaltet, um zuzulassen, dass die Schweißsteuerungssoftware zurücksetzt. Für den Formgebungsschritt wird der Strom bei Minimalzeit (~6–10 ms) eingestellt, indem der Strompegel erhöht wird, bis sich eine runde zentrierte Linse ohne eine Substrat/Elektroden-Reaktion, d. h. dass die Elektrode an dem Substrat klebt oder die Substratoberfläche geschmolzen wird, bildet. Wenn während der Formgebung eine Substrat/Elektroden-Reaktion stattfindet, wird die Formgebungszeit in kleinen Inkrementen und gleichzeitig mit den Stromanpassungen verlängert, um eine zufriedenstellende Linse ohne Substrat/Elektroden-Reaktion zu initiieren. Die Linseninitiierung sollte die Bildung eines geschmolzenen Bereiches von mehr als 3 mm im Durchmesser in der Nähe des Zentrums der an der Stoßgrenzfläche der Bleche gebildeten Berührungsfläche umfassen. Für Formgebungszeiten jenseits von ~30 ms sollte der Formgebungsstrom in zwei kürzere Impulse mit einem kurzen Abkühlen zwischen diesen unterbrochen werden. Wegen der hohen Strompegel, die während des Formgebungsschrittes erreicht werden, wird, sobald die Linse geformt ist, eine kurze Abkühl- oder Ausschaltzeit von ~5 ms zwischengeschaltet, um zuzulassen, dass die Elektroden/Blech- und Stoßgrenzflächen abkühlen. Die Dimensionierungszeit wird als eine Funktion der Bestimmung der Dicke der Aufschichtung festgelegt. Für eine Aufschichtung von zwei Blechen ist das dünnste Blech die bestimmende Dicke. Für eine Aufschichtung von drei Blechen ist das zweitdünnste Blech die bestimmende Dicke. Die Dimensionierungszeiten variieren zwischen etwa 30 ms für eine bestimmende Dicke von 1,0 mm und etwa 100 ms für eine bestimmende Dicke von 3,0 mm. Sobald die Dimensionierungszeit bestimmt ist, wird der Strom angepasst, um die gewünschte Schweißnahtgröße zu erreichen. Wenn der Elektrodenverschleiß übermäßig ist, wird der dimensionierende kontinuierliche Stromimpuls modifiziert, sodass er Heiz- und Abkühlimpulse, typischerweise 10 ms bis 30 ms Aufheizen und 1 ms bis 10 ms Abkühlen, umfasst.
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Es sind handelsübliche Robotersteuerungen erhältlich, die zur Regelung des Öffnens und Schließens von Schweißelektroden in Bezug auf die Werkstücke ausgewählt werden können. Es sind auch handelsübliche programmierbare Schweißcontroller für die praktische Anwendung des gegenständlichen Dreischritt-Schweißverfahrens dieser Erfindung erhältlich. In der Folge sind erforderliche Eigenschaften des programmierbaren Schweißcontrollers, des zugehörigen Transformators, der elektrischen Verbindungen und der Schweißzangen mit ihren Schweißelektroden angeführt.
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Die Wechselrichter-Schweißsteuerung ist programmierbar, sodass sie mit vorbestimmten Anweisungen zur Ausführung des Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungsschrittes dieses Schweißplanes belegt sein kann. Ferner ist es notwendig, dass die programmierbare Wechselrichter-Schweißsteuerung ein hinreichendes Primärstrompotenzial besitzt, um den erwünschten Sekundärstrom auf der Basis des Transformator-Wicklungsverhältnisses zu erzielen. Für ein typisches Transformator-Wicklungsverhältnis von 50:1 benötigt die Wechselrichter-Schweißsteuerung ein Primärleistungspotenzial von zumindest 1000 A und bevorzugt 1200 A, um den Ziel-Sekundärstrom von 50 kA (Wicklungsverhältnis mal maximalem Primärstrom) zu erzielen, der erwünscht ist, um diese Schweißpläne für die dicksten Aluminiumbleche zu reproduzieren. Schweißsteuerungen mit diesen Primärstrompotenzialen sind ohne weiteres erhältlich. Die Schweißsteuerung kann auch die Sekundärstrom-Anstiegszeiten, entweder durch die Hardware oder die Software, die von der Steuerung verwendet werden, beeinflussen. Einige Steuerungen begrenzen die Stromanstiegsrate entweder durch das Design oder einfach den Mangel an Geschwindigkeit der internen Prozessoren oder Software. Unter der Annahme eines typischen Wicklungsverhältnisses von 50:1 für den Transformator (es sind andere Wicklungsverhältnisse von 40:1 bis 60:1 verfügbar) hat die Erfahrung gezeigt, dass die Schweißsteuerungsprimärstrom-Anstiegszeit zumindest 80 A/ms oder 10 ms betragen sollte, um einen Ausgang von 800 A zu erreichen, was für einen Transformator mit einem Wicklungsverhältnis von 50:1 eine Anstiegszeit von 4 kA/ms ergeben würde.
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Wie oben beschrieben, wird der Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungsschweißplan durch externes Überwachen des Stromes, der Spannung, der Leistung und des Widerstandes an den Elektroden entwickelt. Die Schweißsteuerung überwacht typischerweise nur den Strom, üblicherweise den Primärstrom und gelegentlich den Sekundärstrom. Die Spannung, der Widerstand und die Leistung werden von der Schweißsteuerung nicht überwacht. Der Zweck der Schweißsteuerung besteht darin, die erwünschten Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungs(CSS)-Wellenformen zu reproduzieren, sobald sie mithilfe der obigen Einstellungsprozedur ermittelt wurden.
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Der MFDC-Transformator sollte auch Minimalanforderungen erfüllen. Dies umfasst das Erreichen des maximalen Ziel-Sekundärstromes für die erwünschten Wellenformen. Zum Schweißen von Kraftfahrzeugstrukturen beträgt der maximale Zielstrom typischerweise etwa 50 kA, während dieser Zielwert für das Schweißen von Schließdünnblechtafeln typischerweise 35 kA beträgt. Der Ausgang sowohl von dem Transformatorkern als auch von den Dioden muss dazu imstande sein, diese Strompegel zu erreichen. Zum Beispiel würde ein Transformator mit einem Wicklungsverhältnis von 40:1 in seinem Kern den erwünschten Ausgang von 50 kA zum Konstruktionsschweißen unter Verwendung einer 1000 A- oder 1200 A-Wechselrichter-Schweißsteuerung nicht erreichen. Auch einige Transformatordioden können Grenzen für Strompegel aufweisen, die den Transformator für das Dreischritt-CSS-Schweißverfahren ungeeignet machen.
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Unter der Annahme, dass die Schweißsteuerung sowohl einen hinreichende/n Primärstrom als auch Primärstrom-Anstiegszeiten für die Versorgung des Transformators und des Transformatorkerns erzeugt, und dass die Dioden ein hinreichendes Strompotenzial aufweisen, wird der Transformatorausgang von zwei Endfaktoren gesteuert: den Widerstand und die Induktivität der Schweißzangenarme und/oder -kabel. Während jeder Aspekt des Schweißsystems adäquat sein kann, um die gewünschten Wellenformen zu erzeugen, werden, wenn der/die Zangenwiderstand und -induktivität nicht zufriedenstellend sind, sowohl der maximale Strom als auch die Stromanstiegszeit beeinträchtigt. Der Zangenwiderstand wird geeigneterweise entlang des Zangenarmes zwischen den Elektroden und dem Transformator gemessen. Typische Widerstandsmessungen können z. B. 50 μohm pro Arm, insgesamt 100 μohm für beide Arme, ergeben. Dieser Widerstandswert wird eine 1200 A-Wechselrichter-Schweißsteuerung mit einem MFDC-Transformator mit einem Wicklungsverhältnis von 50:1 gestatten, um 60 kA zu erreichen. Höhere Widerstände werden beginnen, den maximalen Strom, der erreicht werden kann, zu reduzieren. Die Sekundärstrom-Anstiegszeiten werden durch die Zangeninduktivität beeinflusst, die direkt mit der durch die Zangenarme und/oder -kabel gebildeten Schleifenfläche in Beziehung steht. Große Schleifenflächen haben die Wirkung, den Stromanstieg zu verlangsamen. Die Schleifenfläche für einen Transformator mit einem Wicklungsverhältnis von 50:1 sollte bevorzugt kleiner als etwa 300 Quadratzoll, z. B. 10 Zoll mal 30 Zoll, sein. Dieser Transformator weist eine maximale Spannung von 13 Volt auf. Größere Schleifenflächen würden Transformatoren mit höheren Spannungen und niedrigeren Wicklungsverhältnissen, z. B. ein Wicklungsverhältnis von 40:1 mit 16,25 V, erfordern. Zusammengefasst muss das gesamte Schweißsystem ausgeführt sein, um die erwünschten Schweißströme und Anstiegszeiten zu erreichen, was die richtigen Schweißsteuerungs-, MFDC-Transformator- und Schweißzangenfähigkeiten erfordert.
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Um die erwünschte Wellenform an der Schweißstelle zu erreichen, wird ein relativ hoher Strom (in Kiloampere, kA) mit einer relativ niedrigen Spannung über eine Zeitspanne von Millisekunden, typischerweise weniger als 200 ms, an die Elektroden geliefert. Das Schweißsystem ist in der Lage die/den erforderliche/n Spannung und Strom an die Elektroden zu liefern. Der/die an den Elektroden verbrauchte Strom, Spannung, elektrische Widerstand und Leistung werden typischerweise einzeln an der Schweißstelle gemessen. Es können die Schweißsteuerungen verwendet werden, um den Primär- oder Sekundärstrom zu messen. Die Strommessungen, ob einzeln oder von der Schweißsteuerung gemessen, werden mithilfe einer eingängigen Spule entweder um die Primär- oder Sekundärstromleitungen herum vorgenommen. Die Spannung wird einzeln gemessen, indem die Spannung direkt an die Elektroden angefordert wird. Aus den Strom- oder Spannungsmessungen werden der Widerstand (R = V/I) und die Leistung (P = VI) berechnet. Die Messungen von Strom, Spannung, Leistung und Widerstand werden während des Schweißens von Prüfstücken vorgenommen, die ausgeführt sind, um die tatsächliche Metallaufschichtung zu repräsentieren. In Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen die Schweißflächen (zum Beispiel 52 in 1) der Schweißelektroden jeweils eine kugelförmige Oberfläche mit konzentrischen vorstehenden Ringen zum Eingriff in die Aluminiumoxidfilme auf den Oberflächen der Blechwerkstücke auf, wenngleich auch Elektroden mit mikrostrukturierten Schweißflächen von dieser Erfindung profitieren sollten.
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Vor der weiteren Veranschaulichung des Dreischritt-Schweißverfahrens dieser Erfindung mag es von Nutzen sein, die Konstangleichstromanwendung zu beschreiben, die derzeit zum elektrischen Widerstandsschweißen von Legierungsblechwerkstücken auf Aluminiumbasis verwendet wird. 2 zeigt einen typischen kontinuierlichen Konstantstrom(CCC, von constant continuous current)-Schweißplan, der zum Punktschweißen eines 2,0 mm Aluminiumlegierung-5754-Blechs auf ein 2,0 mm 5754-Blech bei einer Elektrodenkraft von 1200 Pfund verwendet wird. Dies machte eine erste Schweißnaht zwischen den Blechmaterialien ohne eine vorherige Nebenschlussbahn aus. Diese Art von Plan wurde zum Schweißen von Komponenten des vor einigen Jahren hergestellten GM-Aluminiumfahrzeuges EV1 verwendet. Ein ähnlicher Plan von 167 ms wird zurzeit von der Aluminium Association in ihrer Referenz „Welding Aluminum Theory and Practice” empfohlen. Das Stromprofil (Strichpunktlinie) zeigt einen Anstieg von 0 ms bis zu dem Schweißstrom (27 kA) über mehrere ms (Millisekunden). Die Neigung des Stromanstieges ist für diese Pläne typischerweise unwichtig, da der Zielstrom, sobald er erreicht ist, über eine relativ lange Schweißzykluszeit gehalten wird. Dem Stromanstieg folgt das Halten des Stromes für etwa 200 ms. Dann wird der Strom ausgeschaltet und fällt über mehrere ms auf null. Die entsprechenden Widerstands(Volllinie)- und Spannungs(Kurzstrichlinie)-Profile zeigen beide hohe Anfangsspitzen. Die hohe Spannungsspitze zu Beginn des Stromflusses, etwa 1,0 Volt, hat eine Bogenbildung an der Elektroden/Blech-Grenzfläche und einen Schaden an der Elektrodenschweißfläche zur Folge.
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Zu Beginn des Stromflusses für den CCC-Schweißplan ist der Spannungseingang relativ hoch, aber der Strompegel ist niedrig. Diese Kombination stellt nicht früh genügend Leistung (Strichpunkt-Punkt-Linie) bereit, um eine Schweißlinse zuverlässig zu initiieren. Die Schweißlinse kann später initiiert werden oder in zufälligen Bereichen über die gesamte Stoßgrenzflächenkontaktzone initiiert werden, welche durch die geschlossenen Schweißelektroden hergestellt werden.
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Die verzögerte Schweißlinseninitiierung kann die Schweißnahtgröße beeinflussen und eine breite Schwankung der Schweißnahtgröße zur Folge haben, die unter Bedingungen beobachtet wird, welche hohe Dickenverhältnisse, ungleiche Legierungen und variable Schweißnahtabstände umfassen. Sie sorgt auch für die Notwendigkeit längerer Schweißzeiten, um sicherzustellen, dass die Schweißnaht unter vielen verschiedenen Bedingungen, d. h. mit vorhandenen Zwischenräumen oder schräg geschweißt, entsprechend dimensioniert ist.
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3 zeigt Schweißnahtgrößen für eine unter drei verschiedenen Bedingungen mithilfe eines kontinuierlichen Konstantstromplanes geschweißte 2,0-mm-5754-Aufschichtung. Man beachte, dass die Schweißnahtinitiierung für Proben verzögert ist, die 6° schräg in Bezug auf die Elektrode orientiert sind. Dies erfordert längere Schweißzeiten, um eine zufriedenstellende Leistung, d. h. Schweißnahtgröße von ~6 mm zu erreichen. Unerwünschte Bruchmodi (offene Symbole) traten bis zu Schweißzeiten von 65 ms und Schweißnahtgrößen von mehr als 5 mm auf, was weiter den Mangel dieses Planes an Robustheit demonstriert.
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Die Linseninitiierung, die nicht in der Mitte der Stoßgrenzflächenkontaktzone fokussiert und angeordnet, sondern zufällig über die gesamte Stoßgrenzflächenkontaktzone verteilt ist, kann eine schlechte Schweißnahtdurchdringung und nachfolgende unerwünschte Schweißnahtbrüche und eine schlechte Schweißnahtform verursachen, was zum Auspressen und zu einer schlechten Schweißnahtqualität führen kann. Eine zufällige Linseninitiierung würde auch ein schlechte Schweißnahtqualität für Stellen mit vorhandenen Klebern oder Dichtmitteln zur Folge haben, da die Initiierung an mehreren kleinen Stellen, die sich über den gesamten Kleber oder Dichtstoff verteilen, höchstwahrscheinlich ein größeres Volumen des Dichtmittels oder Klebers mitreißen würde, was eine unerwünschte Porosität in der Schweißnahtmikrostruktur erzeugt.
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Diese Erfindung ist ein Schweißplan, der drei separate Schritte zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Schweißnähten mit einer gleich bleibenden Größe und Form über einen großen Bereich von Bedingungen verwendet. Die drei unterschiedlichen Schritte umfassen die Konditionierung, die Formgebung und die Dimensionierung (CSS). 4 ist ein Graph des Schweißstromes (Strichpunktlinie), der Spannung (Kurzstrichlinie), der Leistung (Strichpunkt-Punkt-Linie) und des Widerstandes (Volllinie) zwischen den Elektroden, wenn dieser Dreischritt-Schweißplan auf eine Aufschichtung eines 2,0 mm dicken AA5754-Blechwerkstückes auf einem 2,0 mm dicken AA5754-Blech angewendet wird.
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Schritt 1 – Konditionierung: Dieser Schritt beginnt, sobald die Elektroden eine stabile Schweißkraft erreicht haben, welche die Aufschichtung an der Schweißstelle einklemmt. Die Schweißsteuerung wird in einen Modus gesetzt, der die von dem Schweißtransformator angelegte Spannung regelt oder begrenzt, und wird als automatischer Spannungsausgleichs(AVC)-modus bezeichnet. 4 veranschaulicht, dass während des Konditionierungsschrittes die Spannung an den Elektroden bei etwa 0,5 Volt beginnt und auf 0,4 Volt abfällt. Der Schweißstrom wird allmählich auf einen Pegel gebracht, der den Widerstand an sowohl den Elektroden/Blech- als auch an den Stoßgrenzflächen auf einen konstant niedrigen Wert senkt. Der Strom steigt typischerweise von einem niedrigen Wert von 3000 auf zwischen 5000 und 10000 A an. Im Allgemeinen wird der genaue Strompegel so gewählt, dass er genau unter jenem liegt, bei dem das Schmelzen an der Stoßgrenzfläche stattzufinden beginnt. Der Stromfluss wird auch zwischen 20 ms und 60 ms aufrechterhalten. Es ist ein Minimum von 20 ms erforderlich, um sicherzugehen, dass der Widerstand zusammengebrochen und hinreichend stabilisiert ist. Ein Stromfluss jenseits von ~60 ms wird den Widerstand typischerweise nicht weiter reduzieren, sondern nur das Schweißverfahren verlangsamen. Für das Beispiel aus 4 wird die Konditionierung für 50 ms durchgeführt und erreicht einen Strom von ~10 kA. Als eine Alternative zu dem von der Schweißsteuerung verwendeten Spannungsausgleichsmodus kann der Konditionierungsstrom in einem Konstantstrommodus mit einem sanften Anstieg von einem niedrigen Stromwert (~3 kA) bis zu dem letztendlichen erwünschten Konditionierungsschrittstrom programmiert sein. Wiederum besteht das Ziel darin, einen gleich bleibenden stabilen Widerstand an der Schweißstelle zu erreichen, ohne zuzulassen, dass die Bleche an den Stoßgrenzflächen schmelzen.
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Während des Konditionierungsschrittes wird an der Schweißstelle Hitze erzeugt, die zulässt, dass die Ringe der Elektrode einen engeren Kontakt an der Elektroden/Blechgrenzfläche herstellen. Der verbesserte Kontakt verhindert, dass während des Formgebungsschrittes, bei dem ein hoher Strompegel angewendet wird, eine übermäßige Elektrodenschädigung auftritt. Überdies nimmt der Widerstand, wie zwischen den Elektroden gemessen, auf einen gleich bleibenden Wert ab. In diesem Beispiel, 4, beträgt er ungefähr 0,04 Milliohm. Für eine gegebene Aufschichtung wie oben angeführt, sollte dieser gleich bleibende Widerstandswert, unabhängig von der Schweißzangenpolarität oder dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein jeglicher Kleber oder Dichtstoffe, der gleiche sein. Dieser Schritt gewährleistet, dass der Stromfluss, der in dem Formgebungsschritt auftritt, gleich bleibende Schweißnahtgrößenergebnisse produziert. Am Ende des Konditionierungsschrittes wird der Stromfluss für ~10 ms ausgeschaltet, um zuzulassen, dass die Elektroden vor dem Formgebungsschritt abkühlen. Dies zeigt sich als ein Abfall des Stromes und der Spannung bei 50 ms in 4. Es könnten längere Abkühl(oder Ausschalt)-Zeiten verwendet werden, die aber nur das Schweißverfahren verlangsamen würden. Abhängig von dem Schweißsteuerungsbetrieb lässt der Abkühlschritt auch zu, dass sich die Schweißsteuerung zurücksetzt, um eine maximale Leistung zu Beginn des Formgebungsschrittes bereitzustellen.
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Schritt 2, Formgebung: Dieser Schritt ist geplant, um eine gleich bleibende Schweißlinsenschmelzinitiierung zu produzieren, die bevorzugt zwischen den gegenüberliegenden Schweißflächen der Elektroden zentriert ist, unabhängig von den Schweißbedingungen, d. h. der Zangenpolarität, dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Kleber/Dichtmittel, einem schlechten Eingriff zwischen den Flächen der Blechmetallwerkstücke an deren Stoßgrenzflächen, schrägen Elektroden etc. Der Strom wird typischerweise gezwungen, bei einem sehr hohen Wert zu fließen, um so schnell wie mögliche eine geschmolzene Schweißlinse in der Mitte der Stoßgrenzflächenkontaktzone zu initiieren. Das Herbeiführen sehr hoher Ströme in kurzer Zeit stellt hohe Anforderungen an das Schweißsystem. Wie zuvor erläutert müssen, um den Ziel-Formgebungsstrom über diese kurzen Zeiten zu erreichen, die Wechselrichter-Schweißsteuerung, der MFDC-Transformator und die Schweißzange entsprechend ausgeführt sein, sodass sie in der Lage sind, den/die Zielstrom und -stromanstiegszeit zu erreichen. Langsame Anstiegszeiten verhindern das Erreichen des Zielstromes innerhalb des kleinen Zeitfensters des Formgebungsschrittes, was für die Funktion dieses Schrittes entscheidend ist. Langsame Anstiegszeiten können in einer langsamen Schweißsteuerungshardware oder -software, einer unzureichenden MFDC-Transformatorspannung oder einer hohen Schweißzangeninduktivität begründet sein. 4 zeigt, dass die Anstiegszeit auf 35 kA nur 6 ms oder 5,8 kA/ms beträgt, was sehr schnell ist. Der Formgebungsimpuls stellt einen sehr hohen Leistungsimpuls an die Aufschichtung bereit. Für das Beispiel in 4 ist ersichtlich, dass die Leistung bei 35 kW und ca. 70 ms ihre Spitze erreicht. Man vergleiche das mit der in 3 erreichten Spitze von nur 22 kW.
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Abhängig von der Blechaufschichtung werden Formgebungsschritt-Stromflusszeiten von 6 ms bis 50 ms mit Spitzenstromwerten typischerweise zwischen 20 kA und 50 kA verwendet. Unter der Annahme, dass das Schweißsystem, d. h. die Wechselrichtersteuerung, der MFDC-Transformator und die Schweißzange, die erwünschten Stromanstiegszeiten von > 4 kA/ms erreichen können, werden der Formgebungsspitzenstrom und die Formgebungszeit innerhalb eines Paares von Randbedingungen bestimmt. Die Formgebungszeit wird so kurz wie möglich gehalten, um die erwünschte anfängliche geschmolzene Schweißlinse zu erhalten, die typischerweise einen Durchmesser von mindestens ~3 mm aufweist. Da die Wechselrichterausführung, die Transformatorspannung und die Schweißgerätinduktivität die Stromanstiegszeit beeinflussen, dauert es üblicherweise ~5 bis 12,5 ms, bis der Ziel-Spitzenstrompegel von 20 kA bis 50 kA erreicht ist. Die Formgebungszeiten betragen mindestens 6 ms, sind typischerweise aber länger als 10 ms. Die Formgebung sollte nicht länger als 50 ms dauern. Für dünne Bleche wie z. B. 1,0 mm AA5754-0, werden niedrige Formgebungsströme wie z. B. 24 kA verwendet, die in einer kurzen Zeit, z. B. 6 ms, erreicht werden können, siehe nachfolgende Tabelle. Ein Blech mittlerer Stärke, z. B. ein 2,0 mm AA5754-0, kann eine Formgebungszeit von 20 ms erfordern. Für schwerere Bleche, z. B. ein 3,0 mm AA5754-0, werden längere Formgebungszeiten benötigt. In diesem Fall werden 50 ms Formgebungszeit verwendet. Um eine übermäßige Elektroden/Blech-Reaktion zu vermeiden, wird die Formgebungszeit in einen Impuls von 20 ms unterbrochen, gefolgt von einer kurzen Abkühlzeit und dann von einem Impuls von 30 ms. Im Allgemeinen wird, wenn Formgebungszeiten von mehr als 30 ms erforderlich sind, um eine zufriedenstellende Schweißnahtinitiierungsstelle zu erzeugen, der Formgebungsimpuls in zwei unterbrochen, wobei ein Kurzschluss von ~3 ms zwischen die zwei Impulse geschaltet wird. Die Spitzenstrompegel und -schweißzeiten werden unter jenen gehalten, die entweder eine übermäßige Reaktion zwischen dem Blech und der Elektrodenschweißfläche in der Form von Kleben hervorrufen oder ein tatsächliches Schmelzen der Blechaußenfläche zur Folge haben.
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Die folgende Tabelle 1 zeigt illustrative Zeiten für die Konditionierung, Formgebung und Dimensionierung für die angegebenen Blech 1- und Blech 2-Aluminiumlegierungszusammensetzungen und -dicken. Die Spalte 4 zeigt Formgebungsspitzen-RMS-Stromwerte für jeweilige Blechkombinationen. Die letzte Spalte zeigt die von der Aluminum Association empfohlenen Schweißzeiten in Millisekunden. Tabelle 1: Konditionierungs-, Formgebungs- und Dimensionierungsschweißparameter
| Blech 1 | Blech 2 | Konditionierungszeit (ms) | Formgebungs zeit (ms) | Formgebungsspitzenstrom minus Dimensionierungs-RMS-Strom (kA) | Formgebungszeit (ms) | Empfohlene Schweißzeit (ms) Aluminum Association |
| 1,0-mm 5754 | 1,0-mm 5754 | 40 | 6 | 3 | 30 | 133 |
| 1,0-mm 5754 | 2,5-mm 5754 | 40 | 20 | 3 | 60 | 133 |
| 1,5-mm 5754 | 1,5-mm 5754 | 40 | 16 | 4 | 80 | 166 |
| 2,0-mm 5754 | 2,0-mm 5754 | 40 | 20 | 10 | 90 | 166 |
| 2,5-mm 5754 | 2,5-mm 5754 | 40 | 15 + 20 | 10 | 100 | 250 |
| 3,0-mm 5754 | 3,0-mm 5754 | 60 | 30 + 20 | 9 | 100 | 250 |
*Welding Aluminum Theory and Practice, Aluminium Association Inc., Juni 1991, S 13.3
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Sobald eine zufriedenstellende Formgebung bewerkstelligt wurde, beendet die Schweißsteuerung die Stromansteuerung für ~5 ms. Während dieser Zeitspanne fällt der Strom schnell ab, bis er unter dem für die Dimensionierung verwendeten Pegel, aber über null liegt. Der Strom sollte bevorzugt unter den Dimensionierungspegel fallen, aber noch mehr als mindestens 10 kA betragen. Der Zweck dieses Schrittes ist ein zweifacher. Erstens gestattet er eine gewisse Abkühlung an der Elektroden/Blech-Grenzfläche. Zweitens verhindert er ein Überhitzen der initiierten Schweißlinse aufgrund des während des Formgebungsschrittes angewendeten Hochleistungsimpulses. Das Beseitigen dieses kurzen Abkühlschrittes führt typischerweise zu einer Überhitzung der Linse während des Dimensionierungsschrittes und zu einer starken Grenzflächenauspressung von geschmolzenem Metall. Das Zulassen, dass die initiierte Linse abkühlt, hilft dabei, den Prozess unter Kontrolle zu bringen und hilft dabei, den Dimensionierungsschritt zu stabilisieren. Der Abkühlschritt kann aber nicht solange dauern, bis die Linsenverfestigung stattfindet. Wenn die Linse sich verfestigte, würde sie als ein Kurzschluss zwischen den Blechen wirken, weshalb ein zusätzlicher Stromfluss während des Dimensionierungsschrittes nicht die erwünschte Schweißnahtgröße erzielen würde.
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Schritt 3, Dimensionierung: Sobald die Schweißlinse in der Mitte der Stoßgrenzflächenkontaktzone durch den Formgebungsschritt initiiert wurde und zugelassen wurde, dass sie abkühlt, wird der RMS-Strompegel auf einen Pegel eingestellt, der unter dem minimalen Strom liegt, der für den Formgebungsschritt verwendet wurde, um die Ziel-Schweißlinsengröße zu erreichen. Dieser RMS-Wert liegt typischerweise einige kA unter dem in dem Formgebungsschritt erreichten Spitzenstrom, wie in Tabelle I gezeigt. Er liegt auch einige kA über dem Spitzenstrom, der in dem Abkühlschritt erreicht wird, welcher auf die Formgebung folgt. Dimensionierungsstromwerte (RMS) liegen typischerweise zwischen 15 kA für ein Aluminiumlegierungsdünnblech bis 40 kA für ein Aluminiumlegierungsdickblech. Die Dimensionierung kann mit einem Konstantstrom durchgeführt werden, sodass die Spitzen- und RMS-Stromwerte die gleichen sind, oder, wenn der Elektrodenverschleiß ein Problem wird, kann die Dimensionierung mit einer Reihe von Stromimpulsen mit einem RMS-Wert einige kA unter dem Formgebungsspitzenstrom durchgeführt werden. Die Dimensionierung erfolgt typischerweise mit einer Stromflussperiode von 20 ms bis 200 ms und ist der längste Teil des Schweißplanes. Wenn Stromimpulse verwendet werden, besteht jeder Impuls typischerweise aus einer Einschaltzeit (Aufheizen) von zehn bis dreißig Millisekunden und einer Ausschaltzeit (Abkühlen) von einer bis fünf Millisekunden.
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Der Dimensionierungsschritt ist typischerweise viel kürzer als die Zeiten, die typischerweise verwendet werden, um eine Schweißnaht mit einem Konstantstromplan zu erzeugen. Die obige Tabelle I vergleicht die Dimensionierungsschritte für verschiedene Kombinationen eines 5754-Aluminiumblechs mit den von der Aluminum Association für den kontinuierlichen Konstantstrom(CCC)-Plan nach dem Stand der Technik empfohlenen. Die Schweißzeiten sind für unsere CSS-Plane viel kürzer, insbesondere für Materialien mit dickeren Stärken. Kürzere Schweißzeiten haben steilere Temperaturgradienten um die Schweißlinse herum zur Folge, welche wirksam sind, um die Linse schneller abzukühlen und eine verfeinerter Mikrostruktur zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, dass die verfeinerte Mikrostruktur widerstandsfähiger gegenüber Bruchbildung unter Schälbelastung ist als Mikrostrukturen, die unter Verwendung typischer Schweißpläne erhalten werden.
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Außerdem haben die kürzeren Zeiten für die Linsenformgebung und die Linsendimensionierung zur Folge, dass viel weniger Energie verwendet wird, um eine Schweißlinse zu erzeugen. In diesem Beispiel werden etwa 40% weniger Energie verwendet, um eine Schweißlinse oder -warze mit einer annehmbaren Größe zu erzeugen. Dies reduziert die thermische Belastung auf den MFDC-Transformator- und Schweißzangenkomponenten wie z. B. Zangenarmen, Kabeln und Nebenschlüssen.
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Als ein Beispiel zeigt 5 Schweißnahtgrößen für eine unter drei verschiedenen Bedingungen unter Verwendung eines CSS-Plans geschweißte 2,0 mm 5754-Aufschichtung. Die Schweißzeit wird zu Beginn des Formgebungsschrittes genommen und umfasst sowohl die Formgebungs- als auch die Dimensionierungsimpulse. Man beachte, dass sich selbst nach 15 ms Schweißlinsen für alle drei Bedingungen gebildet haben. Die schnelle Bildung der Schweißlinse beseitigt in hohem Ausmaß die Schwankungen in dem Verfahren.
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Bei Schweißzeiten von nur 115 ms beträgt die Schweißnahtgröße ~6 mm oder mehr. Eine robuste Größe wurde bei kürzeren Zeiten als für den kontinuierlichen Konstantstrom(CCC)-Plan erreicht. Dies verlängert die Elektrodenhaltbarkeit und verfeinert die Schweißnahtmikrostruktur. Unerwünschte Bruchmodi treten nur bei sehr kurzen Schweißzeiten von 35 ms auf. Bei 65 ms und längeren Zeiten wurden keine unerwünschten Bruchmodi beobachtet, was das Leistungsvermögen verglichen mit dem CCC-Plan, 2, verbessert.
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In vielen Fällen kann es für das Widerstandspunktschweißen von Aluminiumblechmetallwerkstücken bevorzugt sein, Schweißelektroden wie jene zu verwenden, die in dem U.S.-Patent #6 861 609 (3/1/2005) und den U.S.-Patentanmeldungen #20100258536, 20090302009, 20090255908, 20090127232, 20080078749 offenbart sind. Diese Elektroden weisen aufgeraute oder geformte Schweißflächen auf, die sich beim Widerstandspunktschweißen von Aluminium als zweckmäßig erwiesen haben, und solche Elektroden funktionieren gut, wenn das Punktschweißen in Übereinstimmung mit Schweißplänen dieser Patentbeschreibung ausgeführt wird.
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Die oben beschriebenen praktischen Anwendungen der Erfindung dienen Illustrationszwecken und sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
