DE102015101869A1

DE102015101869A1 - Elektrode für das Widerstandspunktschweissen unähnlicher Metalle

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Publication number: DE102015101869A1
Application number: DE102015101869.1A
Authority: DE
Inventors: David S. Yang; David R. Sigler; Blair E. Carlson; James G. Schroth; Michael J. Karagoulis
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2035-02-11
Also published as: US11084119B2; DE102015101869B4; US20180272457A1; US20150231729A1; CN104842058A; US10010966B2

Abstract

Ein Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück aufweist, umfasst, dass elektrischer Strom durch die Werkstücke und zwischen Schweißelektroden geleitet wird, die derart konstruiert sind, dass sie die Stromdichte des elektrischen Stroms beeinflussen. Die Schweißelektroden sind spezieller derart konstruiert, dass sie zu einer größeren Dichte des elektrischen Stroms in dem Stahlwerkstück als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück führen. Dieser Unterschied in den Stromdichten kann hergestellt werden, indem der elektrische Strom zumindest anfänglich zwischen einer Schweißfläche der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Stahlwerkstück und einem Umfangsbereich einer Schweißfläche der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück geleitet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren das Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück.
HINTERGRUND
Das Widerstandspunktschweißen ist ein Verfahren, das in einer Anzahl von Industriezweigen verwendet wird, um zwei oder mehr Metallwerkstücke aneinander zu fügen. Die Automobilindustrie verwendet beispielsweise oft das Widerstandspunktschweißen, um vorgefertigte Blechmetalllagen während der Herstellung eines Fahrzeugkarosserieblechs für eine Tür, eine Motorhaube, einen Kofferraumdeckel oder einer Heckklappe, neben anderen, aneinander zu fügen. Es werden in der Regel eine Anzahl von Punktschweißungen entlang eines Umfangsrandes der Blechmetalllagen oder in einem bestimmten anderen Bindungsbereich gebildet, um sicherzustellen, dass das Karosserieblech strukturell einwandfrei ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte, ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke – z. B. Stahl an Stahl und Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung – aneinander zu fügen, hat der Wunsch, leichtgewichtigere Materialien in eine Fahrzeugplattform einzubauen, das Interesse am Fügen von Stahlwerkstücken an Aluminiumlegierungs-Werkstücke durch Widerstandspunktschweißen mit sich gebracht.
Das Widerstandspunktschweißen im Allgemeinen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stromes durch sich berührende Metallwerkstücke und über ihre Stoß-Grenzfläche (d. h. die Berührungsgrenzfläche der Metallwerkstücke) hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Schweißprozess durchzuführen, wird ein Paar entgegengesetzter Punktschweißelektroden in der Regel an diametral ausgerichteten Punkten auf gegenüberliegenden Seiten der Werkstücke an einer vorbestimmten Schweißstelle eingespannt. Dann wird ein elektrischer Strom durch die Metallwerkstücke hindurch von einer Elektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an ihrer Stoß-Grenzfläche. Wenn die Metallwerkstücke, die verschweißt werden, ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück sind, initiiert die an der Stoß-Grenzfläche erzeugte Wärme ein Schweißschmelzbad in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück. Dieses Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad benetzt die benachbarte Oberfläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach dem Beenden des Stromflusses in einer Schweißverbindung. Nachdem der Punktschweißprozess abgeschlossen ist, werden die Schweißelektroden von ihren jeweiligen Werkstückoberflächen zurückgezogen, und der Punktschweißprozess wird an einer anderen Schweißstelle wiederholt.
Das Punktschweißen eines Stahlwerkstücks an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Diese zwei Typen von Metallen weisen mehrere beträchtliche Unähnlichkeiten auf, die dazu neigen, den Schweißprozess zu unterbrechen. Speziell weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (~1500°C) und einen relativ hohen Widerstand auf, während die Aluminiumlegierung einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600°C) und einen relativ niedrigen Widerstand aufweist. Infolge dieser physikalischen Unterschiede schmilzt die Aluminiumlegierung während eines Stromflusses schneller und bei einer viel niedrigeren Temperatur als Stahl. Die Aluminiumlegierung kühlt auch viel schneller ab als Stahl, nachdem der Stromfluss beendet wurde. Unmittelbar nachdem der Schweißstrom aufgehört hat, tritt daher eine Situation ein, in der Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle aus verteilt wird, sondern stattdessen von dem heißeren Stahlwerkstück aus durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück hindurch in Richtung der Elektrode auf der Aluminiumlegierungsseite geleitet wird.
Man nimmt an, dass die Entwicklung von steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode auf der Aluminiumlegierungsseite die Integrität der resultierenden Schweißverbindung auf zwei primäre Weisen schwächt. Erstens, da das Stahlwerkstück Wärme über eine längere Dauer zurückhält als das Aluminiumlegierungs-Werkstück, nachdem der Schweißstrom aufgehört hat, erstarrt das Schweißschmelzbad der Aluminiumlegierung gerichtet, beginnend von dem Gebiet am nächsten bei der kälteren Schweißelektrode, welche dem Aluminiumlegierungs-Werkstück zugeordnet ist, und sich in Richtung der Stoß-Grenzfläche ausbreitend. Eine Erstarrungsfront dieser Art neigt dazu, Defekte – z. B. eine Gasporosität, Schrumpfungshohlräume, Mikrorissbildung und Oxidrückstände – in Richtung und entlang der Stoß-Grenzfläche innerhalb der Schweißverbindung zu treiben. Zweitens begünstigt die anhaltend erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Verbindungen an und entlang der Stoß-Grenzfläche. Das Vorhandensein einer Verteilung von Schweißlinsendefekten zusammen mit übermäßigen intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Stoß-Grenzfläche neigt dazu, die Abschälfestigkeit der fertigen Schweißverbindung zwischen den Werkstücken herabzusetzen.
Eine weitere bemerkenswerte Unähnlichkeit zwischen den zwei Metallen ist, dass die Aluminiumlegierung eine oder mehrere hitzebeständige Oxidschichten (die nachstehend gemeinsam als ”Oxidschicht” bezeichnet werden) an ihrer Oberfläche enthält, die während Herstellungsvorgängen (z. B. beim Glühen, bei einer Lösungsbehandlung, beim Gießen usw.) und durch Einwirkung der Umgebung erzeugt werden. Diese Oxidschicht, die hauptsächlich aus Aluminiumoxiden zusammengesetzt ist, ist elektrisch isolierend, mechanisch robust und selbst ausheilend in Luft. Solche Eigenschaften sind der Mechanik des Punktschweißens eines Stahlwerkstücks an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück nicht dienlich. Insbesondere erhöht die Oberflächen-Oxidschicht den elektrischen Kontaktwiderstand eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks – nämlich an dessen Stoßfläche und an dessen Elektrodenberührungspunkt – was es schwierig macht, die Wärme innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstücks effektiv zu steuern und zu konzentrieren. Die mechanische Robustheit der Oberflächen-Oxidschicht behindert auch die Benetzung des Stahlwerkstücks. Die Probleme, die durch die hitzebeständige Oxidschicht an der Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks entstehen, werden durch die Tatsache weiter verkompliziert, dass die Oxidschicht unter der Anwesenheit von Sauerstoff von selbst ausheilen oder regenerieren kann, wenn sie aufgebrochen wird.
Um eine angemessene Schweißbindungsfläche zwischen einem Stahlwerkstück und einem Aluminiumlegierungs-Werkstück zu erhalten, besteht darüber hinaus allgemein die Notwendigkeit, einen Schweißplan zu verwenden, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides im Vergleich zum Punktschweißen von Stahl an Stahl spezifiziert, wodurch die Schweißelektroden beschädigt werden können. Wenn beispielsweise ein verzinktes Stahlwerkstück unter diesen aggressiveren Schweißplänen an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück punktgeschweißt wird, weist die Schweißelektrode in Kontakt mit dem Stahlwerkstück eine Neigung auf, mit der Zinkbeschichtung zu reagieren und eine Messingschicht zu bilden. Ein Heraustreiben der Oberfläche kann ebenso an der Grenzfläche des Stahlwerkstücks und der kontaktierenden Schweißelektrode auftreten, wenn der angelegte Schweißstrom zu hoch ist. Bei der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück kann eine übermäßige Durchdringung des Schweißschmelzbades der Aluminiumlegierung Lochkorrosion und Abnutzung an der Elektrode bewirken, wenn ausgedehnte Schweißzeiten verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Stapels offenbart, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst. Das Verfahren umfasst, dass eine Oberfläche des Stahlwerkstücks und eine Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks an einer vorbestimmten Schweißstelle mit entgegengesetzten Schweißelektroden in Kontakt gebracht werden. Die Elektrode, welche die Oberfläche des Stahlwerkstücks berührt, wird generisch als die Stahl-Schweißelektrode bezeichnet, und auf ähnliche Weise wird die Elektrode, welche die Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks berührt, generisch als die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode bezeichnet. Ein elektrischer Strom ausreichender Stärke und Dauer (konstant oder gepulst) wird zwischen den Schweißelektroden durch den Stapel hindurchgeleitet, um ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstücks und an der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Während dieser Zeit schneiden sich die Elektroden in ihre jeweiligen Werkstückoberflächen ein und pressen sich in diese hinein, um Aufstandsflächen zu bilden. Nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, kühlt das Aluminiumlegierung-Schweißschmelzbad schließlich ab und erstarrt an der Stoß-Grenzfläche in eine Schweißverbindung.
Die Schweißelektroden, die verwendet werden, um den elektrischen Strom durch den Stapel zu leiten, sind derart konstruiert, dass die Dichte des elektrischen Stroms in dem Stahlwerkstück größer als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück ist. Dieser Unterschied in der Stromdichte kann hergestellt werden, indem der elektrische Strom zumindest anfänglich zwischen einer Schweißfläche der Stahl-Schweißelektrode und einem Umfangsbereich einer Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode, welcher eine Vertiefung umgibt, derart geleitet wird, dass die Querschnittsfläche, durch die der Strom hindurchtritt, radial entlang der Richtung von der Stoß-Grenzfläche zu der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode ausgedehnt wird. Es kann eine Anzahl von Konstruktionen der Stahl- und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode verwendet werden, um eine solche Wirkung zu erreichen. Beispielsweise kann der Umfangsbereich der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode bei einer Ausführungsform eine ringförmige Umfangbasisfläche sein, welche die Vertiefung umgibt und begrenzt. Als ein weiteres Beispiel kann der Umfangsbereich der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode ein ringförmiger Vorsprung sein, der von einer Basisfläche der Schweißfläche aufwärts ragt, um auf seiner Innenseite die Vertiefung zu begrenzen.
Es wird angenommen, dass das vorliegende Punktschweißverfahren eine positive Auswirkung auf die Festigkeit und Integrität der Schweißverbindung aufweist. Einerseits bewirkt das Einschneiden der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode in das Aluminiumlegierungs-Werkstück im Verlauf des Punktschweißvorgangs, dass das aufgeweichte Aluminiumlegierungs-Werkstück die Vertiefung zumindest teilweise füllt, was zu der Bildung einer Wölbung in der Aufstandsfläche auf der Aluminiumlegierungsseite führt. Der Umfangsbereich der Elektrodenschweißfläche, welche die Vertiefung umgibt, verstärkt andererseits die plastische Verformung des darunterliegenden Abschnitts des Aluminiumlegierungs-Werkstücks und ruft eine relative Bewegung zwischen den Werkstücken an ihrer Stoß-Grenzfläche hervor. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass die komplizierte Oberflächen-Oxidschicht bricht und zersetzt wird, die an der Stoß-Grenzfläche an der Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks vorhanden sein kann. Darüber hinaus konzentrieren die unterschiedlichen elektrischen Stromdichten, die in dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück auftreten (eine größere Stromdichte im Stahlwerkstück), die Wärme in einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück im Vergleich zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück. Der Vorgang des Konzentrierens der Wärme in einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück – möglicherweise in dem Maß, dass ein Stahlschweißbad initiiert wird – modifiziert die radialen Temperaturgradienten in den zwei Werkstücken, um dazu beizutragen, dass das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad auf eine wünschenswertere Weise in die Schweißverbindung erstarrt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, die in einer überlappenden Weise zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle mithilfe einer Schweißpistole zusammengestellt sind;
2 ist eine partielle, vergrößerte Ansicht des Stapels und der entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 1 abgebildet sind;
3 ist eine partielle, auseinandergezogene Seitenansicht des Stapels und der entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 2 abgebildet sind;
4 ist eine Querschnittsseitenansicht einer Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform;
4A ist eine partielle, vergrößerte Querschnittsansicht der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode, die in 4 dargestellt ist;
4B ist eine partielle, vergrößerte Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Vertiefung, die in die Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode, die in 4 dargestellt ist, eingebunden ist;
5 ist eine Querschnittsseitenansicht einer Stahl-Schweißelektrode gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels vor dem Hindurchtreten des Schweißstroms, bei welchem Stapel die Stahl-Schweißelektrode mit einer Elektroden-Kontaktfläche des Stahlwerkstückes in Kontakt steht und eine Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode mit einer Elektroden-Kontaktfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstückes in Kontakt steht;
7 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels während des Punktschweißens, bei welchem ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück und an der Stoß-Grenzfläche initiiert wurde und zusätzlich ein Stahl-Schweißschmelzbad in dem Stahlwerkstück initiiert wurde;
8 ist eine partielle Querschnittsansicht des Stapels nach dem Stoppen des Schweißstroms und dem Zurückziehen der Schweißelektroden, wobei eine Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche gebildet wurde und eine Stahlschweißlinse in dem Stahlwerkstück gebildet wurde;
9 ist eine Querschnittsseitenansicht einer Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode gemäß einer anderen Ausführungsform zur Verwendung mit dem Stapel, der in 1–3 gezeigt ist;
10 ist eine Querschnittsseitenansicht einer Stahl-Schweißelektrode gemäß einer anderen Ausführungsform zur Verwendung mit dem Stapel, der in 1–3 gezeigt ist;
11 ist eine Querschnittsseitenansicht einer Stahl-Schweißelektrode gemäß einer anderen Ausführungsform zur Verwendung mit dem Stapel, der in 1–3 gezeigt ist;
12 ist eine Mikroaufnahme eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks (oben) und eines Stahlwerkstücks (unten), die mittels eines Paares von Schweißelektroden miteinander punktverschweißt wurden, welches einen Schweißstrom mit einer niedrigeren Stromdichte durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück als durch das Stahlwerkstück leitete, wie es in der vorliegenden Offenbarung dargelegt ist;
13 ist eine Mikroaufnahme eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks (oben) und eines Stahlwerkstücks (unten), die mittels eines Paares von Schweißelektroden miteinander punktverschweißt wurden, welches einen Schweißstrom mit einer niedrigeren Stromdichte durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück als durch das Stahlwerkstück leitete, wie es in der vorliegenden Offenbarung dargelegt ist;
14 ist eine Mikroaufnahme des Ergebnisses eines Abschälfestigkeitstests, der an einer Punktschweißverbindung ausgeführt wurde, die an einer Stoß-Grenzfläche eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks und eines feuerverzinkten, von Zwischenräumen freien Stahlwerkstücks mittels des Punktschweißprozesses gebildet wurde, der einen Schweißstrom bei einer im Wesentlichen konstanten Stromdichte durch das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück leitete; und
15 ist eine Aufnahme des Ergebnisses eines Abschälfestigkeitstests, der an einer Punktschweißverbindung durchgeführt wurde, die an einer Stoß-Grenzfläche eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks und eines feuerverzinkten, von Zwischenräumen freien Stahlwerkstücks mittels des Punktschweißprozesses gebildet wurde, welcher einen Schweißstrom mit einer geringeren Stromdichte durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück als durch das Stahlwerkstück leitete, wie es in der vorliegenden Offenbarung dargelegt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 1–3 zeigen allgemein einen Werkstückstapel 10, der ein Stahlwerkstück 12 und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 umfasst. Das Stahlwerkstück 12 ist bevorzugt ein galvanisierter (verzinkter) kohlenstoffarmer Stahl. Es können selbstverständlich andere Arten von Stahlwerkstücken, unter anderem z. B. ein kohlenstoffarmer, blanker Stahl oder ein galvanisierter, moderner, hochfester unlegierter Stahl (AHSS, vom engl. advanced high strength steel), verwendet werden. Einige spezifische Arten von Stahl, die in dem Stahlwerkstück 12 verwendet werden können, umfassen „Interstitial-free”(IF)-Stahl, Dualphasen(DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity”(TRIP)-Stahl und pressgehärteten Stahl (PHS vom engl. press-hardened steel). Was das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 betrifft, so kann es eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung sein oder es kann mit Zink oder einer Konversionsbeschichtung beschichtet sein, um das Klebevermögen zu verbessern, falls erwünscht. Einige spezifische Aluminiumlegierungen, die in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 verwendet werden können, sind die Aluminium-Magnesium-Legierung 5754, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung 6111 und 6022 und die Aluminiumzink-Legierung 7003. Der Ausdruck „Werkstück” und seine Stahl- und Aluminiumvarianten werden in der vorliegenden Offenbarung breit verwendet, um sich auf eine Blechmetalllage, ein Gussteil, einen Strangguss oder irgendein anderes Teil zu beziehen, das widerstandspunktschweißbar ist, einschließlich jeglicher Oberflächenlagen oder -schichten, falls vorhanden.
Das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 sind in einer überlappenden Weise zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle 16 mithilfe einer Schweißpistole 18 zusammengestellt. Wenn es zum Punktschweißen aufgestapelt ist, umfasst das Stahlwerkstück 12 eine Stoßfläche 20 und eine Elektroden-Kontaktfläche 22. Gleichermaßen umfasst das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 eine Stoßfläche 24 und eine Elektroden-Kontaktfläche 26. Die Stoßflächen 20, 24 der beiden Werkstücke 12, 14 überlappen einander, um eine Stoß-Grenzfläche 28 an der Schweißstelle 16 vorzusehen. Die Stoß-Grenzfläche 28, wie sie hierin verwendet wird, umfasst Fälle eines direkten Kontakts zwischen den Stoßflächen 20, 24 der Werkstücke 12, 14 und auch Fälle, in denen sich die Stoßflächen 20, 24 möglicherweise nicht berühren, sich aber trotzdem in enger Nachbarschaft zueinander befinden, beispielsweise dann, wenn eine dünne Schicht eines Klebstoffs, eines Dichtungsmaterials oder eines beliebigen anderen Zwischenmaterials vorhanden ist. Die Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 weisen allgemein in entgegengesetzten Richtungen voneinander weg, um sie für ein Paar gegenüberliegender Punktschweißelektroden zugänglich zu machen. Jedes von dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 weist bevorzugt eine Dicke 120, 140 auf, die in einem Bereich von etwa 0,3 mm bis etwa 6,0 mm und stärker bevorzugt von etwa 0,5 mm bis etwa 4,0 mm zumindest an der Schweißstelle 16 liegt.
Die Schweißpistole 18 ist üblicherweise ein Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes und umfasst einen ersten Pistolenarm 30 und einen zweiten Pistolenarm 32, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Punktschweißungen gemäß einem definierten Schweißplan zu bilden, wie in der Technik wohlbekannt ist. Der erste Pistolenarm 30 weist eine erste Elektrodenhalterung 34 auf, welche eine Stahl-Schweißelektrode 36 festhält, und der zweite Pistolenarm 32 weist eine zweite Elektrodenhalterung 38 auf, welche eine Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 festhält. Ein Mechanismus zum Kühlen der Elektroden 36, 40 mit Wasser ist typischerweise in die Pistolenarme 30, 32 und die Elektrodenhalterungen 34, 38 eingebunden, um die Temperaturen der Schweißelektroden 36, 40 zu regulieren. Während des Punktschweißens werden die Schweißpistolenarme 30, 32 derart betrieben, dass sie ihre jeweiligen Schweißelektroden 36, 40 gegen die in entgegengesetzte Richtungen weisenden Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 der überlappenden Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 einspannen. Die erste und die zweite Schweißelektrode 36, 40 werden in der Regel in diametraler Ausrichtung miteinander an der vorgesehenen Schweißstelle 16 gegen ihre jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 gepresst. Ein elektrischer Strom wird anschließend von einer steuerbaren Stromquelle in elektrischer Verbindung mit der Schweißpistole 18 zugeführt und tritt zwischen den Schweißelektroden 36, 40 und durch die Werkstücke 12, 14 hindurch.
Die Stahl-Schweißelektrode 36 und die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 sind jeweils aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, wie beispielsweise aus einer Kupferlegierung. Ein spezielles Beispiel ist eine Zirkon-Kupfer-Legierung (ZrCu), die ungefähr 0,10 Gew.-% bis ungefähr 0,20 Gew.-% Zirkon und als Rest Kupfer enthält. Es sind Kupferlegierungen bevorzugt, die diese Bestandteilzusammensetzung erfüllen und als C15000 bezeichnet werden. Wie nachstehend weiter erläutert werden wird, sind die zwei Schweißelektroden 36, 40 darüber hinaus derart konstruiert, dass sie die Stromdichte des elektrischen Strom beeinflussen, wenn dieser während des Punktschweißens durch das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 hindurchtritt. Insbesondere sind die Schweißelektroden 36, 40 derart konstruiert, dass die Stromdichte in dem Stahlwerkstück 12 größer als die Stromdichte in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 ist. Diese Stromdichtenveränderung kann hergestellt werden, indem der elektrische Strom zumindest anfänglich zwischen einer Schweißfläche der Stahl-Schweißelektrode 12 und einem Umfangsbereich einer Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 14 – von denen jede gegen ihre entsprechende Elektroden-Kontaktfläche 22, 26 der Werkstücke 12, 14 gepresst ist – derart geleitet wird, dass sich die Querschnittsfläche, durch welche der Strom hindurchtritt, radial entlang der Richtung von der Stoß-Grenzfläche 28 zu der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 ausdehnt.
Die Differenz bezüglich der Stromdichten in dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 konzentriert Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 12 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14. Der Schweißplan kann gleichmäßig geregelt werden, falls erwünscht, um ein Stahl-Schweißschmelzbad innerhalb der Grenzen des Stahlwerkstückes 12 zusätzlich dazu zu initiieren, dass ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 und an der Stoß-Grenzfläche 28 initiiert wird. Der Vorgang des Konzentrierens von Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 12 – möglicherweise in dem Ausmaß, dass ein Stahl-Schweißbad initiiert wird – verändert die Temperaturgradienten, insbesondere die radialen Temperaturgradienten, die in der Ebene des Werkstücks 12 wirken, um das Erstarrungsverhalten des Aluminiumlegierungs-Schweißbades, welches sich an der Stoß-Grenzfläche 28 befindet, zu ändern, so dass Defekte in der letztlich gebildeten Schweißverbindung an einen wünschenswerteren Ort getrieben werden. In einigen Fällen, insbesondere wenn ein Stahl-Schweißbad in dem Stahlwerkstück 12 initiiert wird, können die Konzentration von Wärme in dem Stahlwerkstück 12 und die resultierenden thermischen Gradienten Schweißdefekte dazu bringen, sich an oder nahe dem Zentrum der Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche 28 zusammenzuballen, was eine bessere Integrität und Abschälfestigkeit der Schweißverbindung fördert.
Die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 umfasst einen Körper 42 und eine Schweißfläche 44, wie es am besten in 4 gezeigt ist. Der Körper 42 definiert eine zugängliche hohle Ausnehmung 46 an einem Ende 48 zum Einsetzen der und Befestigen mit der zweiten Elektrodenhalterung 38 in bekannter Art und Weise. Eine Übergangsnase 50 kann sich von einem entgegengesetzten Ende 52 des Körpers 42 nach oben bis zu der Schweißfläche 44 erstrecken, muss es aber nicht, da sich die Schweißfläche 44 direkt von dem Körper 42 weg erstrecken kann, um das bereitzustellen, was man üblicherweise als eine „Vollflächen-Elektrode” bezeichnet. Der Körper 42 weist bevorzugt eine zylindrische Form mit einem Durchmesser 420 auf, der in einem Bereich von etwa 12 mm bis etwa 22 mm, stärker bevorzugt von etwa 16 mm bis etwa 20 mm, liegt. Die Übergangsnase 50 ist bevorzugt kegelstumpfförmig, wenngleich andere alternative Formen wie z. B. eine Kugel- und Ellipsenform ebenso geeignet sein können.
Die Schweißfläche 44 ist der Abschnitt der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40, der während des Punktschweißens einen Kontakt mit der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 herstellt und in diese entweder teilweise oder vollständig hineingepresst wird. Die Schweißfläche 44 weist einen Durchmesser 440 und einen Krümmungsradius auf, die zusammen hinreichend sind, um ein übermäßiges Einschneiden in das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad und den aufgeweichten Werkstückbereich, welcher das Schweißbad umgibt, zu verhindern. Ein übermäßiges Einschneiden ist in der Regel als ein Einschneiden definiert, das 50% oder mehr der Dicke 140 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 entspricht. Solch ein Einschneiden kann vermieden werden, indem z. B. die Schweißfläche 44 mit einem Durchmesser 440 von etwa 6 mm bis etwa 12 mm und einem Krümmungsradius von etwa 15 mm bis ungefähr 300 mm versehen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser 440 der Schweißfläche 44 etwa 8 mm bis etwa 12 mm, und der Krümmungsradius beträgt etwa 20 mm bis etwa 150 mm. Falls erwünscht, kann die Schweißfläche 44 außerdem strukturiert sein oder Oberflächenmerkmale wie jene aufweisen, die in den US-Patenten Nr. 6 861 609 , 8 222 560 , 8 274 010, 8 436 269 und 8 525 066 und der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0255908 beschrieben sind.
Die Schweißfläche 44 weist eine Vertiefung 54 auf, die um eine Mittelachse 56 der Schweißfläche 44 herum angeordnet ist, wie es in 4–4A gezeigt ist. Sie weist auch eine ringförmige Umfangsbasisfläche 58 auf, die eine Öffnung 60 der Vertiefung 54 ohne Unterbrechung umgibt und begrenzt und auch die Schweißfläche 44 mit ihrem speziellen Krümmungsradius versieht. Bei dieser speziellen Ausführungsform, wie sie gezeigt ist, ist die Vertiefung 54 durch einen Boden 62 und eine kontinuierlich umlaufende Seitenwand 64 definiert, die den Boden 62 mit der ringförmigen Umfangsbasisfläche 58 an der Öffnung 60 verbindet. Der Boden 62 kann flach sein, muss dies aber nicht notwendigerweise, und er ist bezogen auf eine imaginäre Ebene 66, welche die Öffnung 60 überspannt, abwärts verschoben, um die Vertiefung 54 mit einer Tiefe 541 zu versehen. Eine Breite 543 der Vertiefung 54 – die bei der größten Distanz über die Vertiefung 54 rechtwinklig zu der Tiefe 541 bei einer beliebigen speziellen Tiefe zwischen der imaginären Ebene 66 an der Oberseite der Vertiefung 54 und dem Boden 62 gemessen wird – wird durch die umlaufende Seitenwand 64 bereitgestellt und kann entlang der Tiefe 541 konstant oder variabel sein. Die Vertiefung 54 kann mit ihrer Tiefe 541 und Breite 543 durch eine beliebige geeignete Technik in der Schweißfläche 54 gebildet werden, wie beispielsweise durch die Verwendung einer passenden rotierenden Schneidklinge.
Die Größen der ringförmigen Umfangsbasisfläche 58 und der Vertiefung 54 sind maßgeschneidert, um die Bildung einer starken und haltbaren Schweißverbindung zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 zu unterstützen. Die ringförmige Umfangsbasisfläche 58 weist beispielsweise eine Kontaktfläche auf, die ausreichend ist, um die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 an der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 12 derart zu tragen, dass ein schnelles Einschneiden der Schweißfläche 44 in das Werkstück 12 hinein beim Einsetzen des Stromflusses verhindert wird. Um dieses Gleichgewicht des Stromaustauschs und der Elektrodenhalterung herzustellen, weist die ringförmige Umfangsbasisfläche 58 vorzugsweise eine kontinuierliche Fläche von zumindest 28 mm² auf, die gleichmäßig um die Vertiefung 54 herum verteilt ist und die Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 12 zu Beginn des Stromflusses berührt. Bei einer stärker bevorzugten Ausführungsform beträgt die kontinuierliche und gleichmäßig verteilte Kontaktfläche der ringförmigen Umfangsbasisfläche 58 zumindest 50 mm².
Die Tiefe 543 der Vertiefung 54 reicht vorzugsweise von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 3,0 mm und stärker bevorzugt von ungefähr 0,3 mm bis zu einem Wert, der nicht größer als die Dicke 140 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 ist, und ihre Breite 543 an der Öffnung 60 reicht vorzugsweise von ungefähr 2 mm bis ungefähr 10 mm und stärker bevorzugt von ungefähr 3 mm bis ungefähr 8 mm. Die umlaufende Seitenwand 64 verläuft darüber hinaus vorzugsweise abgeschrägt in Richtung des Bodens 62, so dass die Breite 543 der Vertiefung 54 von der Öffnung 60 bis zu dem Boden 62 abnimmt, um dazu beizutragen, dass ein leichtes Lösen und ein leichtes Zurückziehen der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 14 von der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 sichergestellt wird. Diese Schräge weist einen Freiwinkel 641 auf, der vorzugsweise größer als ungefähr 3° und stärker bevorzugt größer als 10° ist. Der Freiwinkel 641, wie er gezeigt ist, ist der Winkel zwischen der umlaufenden Seitenwand 64 und einer Linie 643, die parallel zu der Mittelachse 56 der Schweißfläche 44 verläuft und den Punkt schneidet, an dem die umlaufende Seitenwand 64 die ringförmige Umfangsbasisfläche 58 an der Öffnung 60 trifft, wenn die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 im Querschnitt betrachtet wird. Bei einem speziellen Beispiel, wie es allgemein in 4–4A dargestellt ist, ist die Vertiefung 54 bezüglich der Querschnittsform kegelstumpfförmig und durch eine Tiefe 541 von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 1,5 mm, einen Durchmesser an der Öffnung 60 von ungefähr 3 mm bis ungefähr 8 mm, einen Freiwinkel 641 der umlaufenden Seitenwand 64 von ungefähr 10° und einen Durchmesser an dem Boden 62 von ungefähr 2,9 mm bis ungefähr 7,5 mm definiert.
Die Form der Vertiefung 54 kann von der speziellen Ausführungsform abweichen, die in 4–4A gezeigt ist, während weiterhin das gleiche Ziel erreicht wird, wie Fachleute einsehen werden. Die Vertiefung, die mit dem Bezugszeichen 154 bezeichnet ist, kann beispielsweise einen abgerundeten Boden 162 anstelle der umlaufenden Seitenwand 64 und des flachen Bodens 62 aufweisen, wie es in 4B gezeigt. Der abgerundete Boden 162 ist mit der ringförmigen Umfangsbasisfläche 58 an der Öffnung 60 der Vertiefung 154 verbunden und bezüglich der imaginären Ebene 66, welche die Öffnung 60 überspannt, abwärts verschoben, um die Vertiefung 154 mit einer variablen Tiefe 1541 und einer variablen Breite 1543 zu versehen. Die Tiefe 1541 ist typischerweise in der Mitte der Vertiefung 154 am größten, welche üblicherweise mit der Mittelachse 58 der Schweißfläche 144 koaxial ist, und die Breite 1543 ist typischerweise an der Öffnung 60 der Vertiefung 154 am größten. Die bevorzugte maximale Tiefe 1541 und Breite 1543 der Vertiefung 54 an solchen Orten ist die gleiche wie zuvor (Tiefe: 0,1 mm bis 3,0 mm und stärker bevorzugt von 0,3 mm bis zu einem Wert, der nicht größer als die Dicke des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 ist; Breite: ungefähr 2 mm bis ungefähr 10 mm und stärker bevorzugt von ungefähr 3 mm bis ungefähr 8 mm). Der abgerundete Boden 162 weist dann, wenn er sphärisch konkav ist, auch bevorzugt einen minimalen Krümmungsradius auf, der größer als ungefähr die Hälfte (50%) der Breite 1543 der Vertiefung 154 an deren Öffnung 60 ist.
Die Stahl-Schweißelektrode 36 kann eine beliebige Elektrode sein, die für das Punktschweißen von Stahl geeignet ist. Nun auf 5 Bezug nehmend, weist eine spezielle Ausführungsform der Stahl-Schweißelektrode 36 einen Körper 68 und eine Schweißfläche 70 auf. Der Körper 68 definiert eine hohle Ausnehmung 74, die an einem Ende 76 zum Einfügen der ersten Elektrodenhalterung 34 und für eine Befestigung mit dieser auf eine bekannte Weise zugänglich ist. Eine Übergangsnase 78 mit sphärischer Form kann sich von einem entgegengesetzten Ende 80 des Körpers 68 bis zu der Schweißfläche 70 erstrecken, wenn dies gewünscht ist, um das bereitzustellen, was üblicherweise als eine Kugelnasenelektrode bezeichnet wird. Der Körper 68 ist vorzugsweise zylinderförmig mit einem Durchmesser 680, der von ungefähr 12 mm bis ungefähr 22 mm, stärker bevorzugt von ungefähr 16 mm bis ungefähr 20 mm, reicht. Die Übergangsnase 78 ist, obgleich sie als sphärisch gezeigt und beschrieben ist, nicht darauf beschränkt und kann andere Formen annehmen, wie beispielsweise eine elliptische und eine kegelstumpfförmige. Wie bei der zuvor beschriebenen Schweißfläche 70 ist diese derjenige Abschnitt der Stahl-Schweißelektrode 36, der während des Punktschweißens den Kontakt mit der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstücks 12 herstellt und entweder teilweise oder vollständig in diese hineingepresst wird. Die Schweißfläche 70 der Stahl-Schweißelektrode 36 weist einen Durchmesser 700 auf, der von ungefähr 4 mm bis ungefähr 12 mm, stärker bevorzugt von ungefähr 5 mm bis ungefähr 9 mm, reicht, und sie ist eben oder gekrümmt. Die Schweißfläche 70 kann dann, wenn sie gekrümmt ist, einen Krümmungsradius von ungefähr 8 mm oder größer aufweisen.
1–2 und 6–8 stellen einen Punktschweißprozess dar, bei dem der Stapel 10 an der Schweißstelle 16 unter Verwendung der Schweißelektroden 36, 40, die vorstehend bei 4–4A und 5 beschrieben sind, punktverschweißt wird. Die Schweißpistole 18 (teilweise gezeigt) ist ausgestaltet, um den elektrischen Strom und den Kontaktdruck bereitzustellen, die zum Punktschweißen des Stahlwerkstückes 12 und des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 miteinander notwendig sind. Die Pistolenarme 30, 32 der Schweißpistole 18 können feststehend (Sockel-Schweißgerät) oder robotertechnisch bewegbar sein, wie es auf dem technischen Gebiet üblich ist, und werden während des Punktschweißens betrieben, um die Schweißelektroden 36, 40 an der Schweißstelle 16 mit den in entgegengesetzte Richtungen weisenden Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 in diametraler Ausrichtung miteinander in Kontakt zu bringen und dagegen zu pressen. Die durch die Pistolenarme 30, 32 festgelegte Einspannkraft hilft dabei, einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Schweißelektroden 36, 40 und ihren jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 herzustellen.
Der Widerstandspunktschweißprozess beginnt damit, dass der Stapel 10 zwischen der Stahl- und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 36, 40 angeordnet wird, so dass die Schweißstelle 16 allgemein mit den gegenüberliegenden Schweißflächen 70, 44 ausgerichtet ist. Dies ist in 1, 2 und 6 gezeigt. Der Werkstückstapel 10 kann an solch einen Ort gebracht werden, wie es oft der Fall ist, wenn die Pistolenarme 30, 32 Teil eines feststehenden Sockel-Schweißgeräts sind, oder die Pistolenarme 30, 32 können robotertechnisch bewegt werden, um die Elektroden 36, 40 in Bezug auf die Schweißstelle 16 anzuordnen. Sobald der Stapel 10 korrekt angeordnet ist, werden der erste und der zweite Pistolenarm 30, 32 relativ zueinander zusammengeführt, um die Schweißflächen 70, 44 der Stahl-Schweißelektrode 36 und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 an der Schweißstelle 16 mit den in entgegengesetzte Richtungen weisenden Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 in Kontakt zu bringen und dagegen zu pressen, wie es in 6 gezeigt ist. Der durch die Schweißelektroden 36, 40 übertragene Kontaktdruck bewirkt, dass die Schweißfläche 70 der Stahl-Schweißelektrode 36 beginnt, in die Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 einzuschneiden, und die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 – insbesondere die ringförmige Umfangsbasisfläche 58 – ebenso beginnt, in die Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 einzuschneiden.
Dann wird gemäß einem entsprechenden Schweißplan ein elektrischer Strom – in der Regel ein Gleichstrom zwischen etwa 5 kA und etwa 50 kA – an der Schweißstelle 16 zwischen den Schweißflächen 70, 44 der Stahl- und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 36, 40 und durch den Stapel 10 hindurch geleitet. Der elektrische Strom wird typischerweise als ein konstanter Strom oder eine Reihe von Strompulsen mit einer Zeitdauer von ungefähr 40 Millisekunden bis ungefähr 1000 Millisekunden hindurchgeleitet. Während des Schweißstromflusses bewirkt die Konstruktion der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40, dass der elektrische Strom eine niedrigere Stromdichte in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 als in dem Stahlwerkstück 12 aufweist. Dies tritt dadurch auf, dass die Vertiefung 54 als eine elektrisch isolierende Lücke in der Mitte der Schweißfläche 44 wirkt. Eine elektrisch isolierende Lücke dieser Art bewirkt, dass der elektrische Strom durch die ringförmige Umfangsbasisfläche 58 der Schweißfläche 44 über eine breitete Querschnittsfläche in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 hindurchtritt, als ansonsten der Fall wäre, wenn keine Vertiefung 54 vorhanden wäre. Die Stahl-Schweißelektrode 36 leitet den Schweißstrom andererseits aufgrund der herkömmlicheren Struktur ihrer Schweißfläche 70 durch eine konzentriertere Querschnittsfläche in dem Stahlwerkstück 12.
Es wird angenommen, dass der Durchgang des elektrischen Stromes durch die Werkstücke 12, 14 mit verschiedenen Stromdichten zumindest teilweise für eine Reihe von metallurgischen Vorgängen verantwortlich ist, die auf synergetische Weise die Punktschweißbarkeit der Werkstücke 12, 14 verbessern. Der Durchgang des elektrischen Stromes durch die Werkstücke 12, 14 hindurch bewirkt anfänglich, dass sich das Stahlwerkstück 12 schneller erwärmt als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14, da es einen höheren Widerstand aufweist. Dieses Wärme-Ungleichgewicht – das dadurch verstärkt wird, dass der elektrische Strom im Stahlwerkstück 12 konzentrierter ist – bewirkt, dass ein Temperaturgradient sowohl in dem Stahlwerkstück 12 als auch in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 hergestellt wird. Der Fluss von Wärme am Temperaturgradienten hinunter in Richtung der wassergekühlten Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 in Verbindung mit der erzeugten Wärme, die von dem Widerstand gegenüber dem Fluss des elektrischen Stromes über die Stoß-Grenzfläche 28 hinweg resultiert, bringt schließlich das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 zum Schmelzen und bildet ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 80, das, wie es in 7 gezeigt ist, anschließend die Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12 benetzt.
Andere metallurgische Vorgänge treten ebenso in dem Stapel 10 auf, während das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 80 initiiert und zum Wachsen gebracht wird. Am bemerkenswertesten ist, dass die erhöhte Stromdichte in dem Stahlwerkstück 12 während des Stromflusses zu einer konzentrierteren Wärmezone in dem Stahlwerkstück 12 führt (im Vergleich zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 13), welche die Integrität und die Abschälfestigkeit der endgültigen Schweißverbindung verbessern kann, wie es nachstehend in weiterem Detail erläutert wird. Die konzentrierte Wärmezone kann – muss jedoch nicht notwendigerweise – ein Stahl-Schmelzschweißbad 82 innerhalb der Grenzen des Stahlwerkstücks 12 initiieren und zum Wachsen bringen, wie es in 7 ebenso dargestellt ist. Das Stahl-Schmelzschweißbad 82 wird wahrscheinlicher dann initiiert und zum Wachsen gebracht, wenn ein Schweißplan verwendet wird, der aggressivere elektrische Ströme und/oder längere Schweißzeiten verlangt. Ein solcher Schweißplan hat aufgrund der verringerten Stromdichte, die in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 auftritt, hier eine bessere Chance, erfolgreich ausgeführt zu werden, ohne dass dieses Werkstück 14 zu sehr aufweicht.
Während des Stromflusses und für eine sehr kurze Zeitdauer danach schneiden die Schweißflächen 70, 44 der Stahl-Schweißelektrode 36 und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 zusätzlich weiter in ihre jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 ein. Die resultierenden eingepressten Einkerbungen 84, 86 sind als Aufstandsflächen bekannt. Die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 kann eine größere Einkerbung als ihr Stahl-Gegenstück aufgrund der Tatsache erhalten, dass die Aluminiumlegierung weicher als Stahl ist und einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist. Die Einkerbung der Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 weist über den Verlauf des Punktschweißvorgangs eine vorteilhafte Folge auf: Sie bewirkt, dass das aufgeweichte Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 die Vertiefung 54 teilweise oder vollständig füllt. Dies verstärkt wiederum die plastische Verformung des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 unterhalb der ringförmigen Umfangsbasisfläche 58 und bewirkt eine relative Bewegung zwischen den Werkstück-Stoßflächen 20, 24 an der Schweißstelle 16. Wenn die plastische Verformung und die relative Bewegung auf diese Weise beeinflusst werden, neigt die Oberflächen-Oxidschicht, die an der Stoßfläche 24 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 vorhanden ist, zum Brechen und zum Zersetzen, wodurch die Benetzung des Stahlwerkstücks 12 an dessen Stoßfläche 20 durch das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 80 erleichtert wird.
Nach Abschalten des Schweißstroms verfestigt das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 80, um eine Schweißverbindung 88 an der Stoß-Grenzfläche 28 zu bilden, wie sie allgemein in 8 dargestellt ist. Das Stahl-Schweißbad 82 verfestigt dann, wenn es gebildet wurde, zu dieser Zeit auf ähnliche Weise in eine Stahlschweißlinse 90 in dem Stahlwerkstück 12, auch wenn sich diese vorzugsweise weder bis zu der Stoßfläche 20 noch bis zu der Elektroden-Kontaktfläche 22 dieses Werkstücks 12 erstreckt. Die Schweißelektroden 36, 40 werden schließlich von der Schweißstelle 16 zurückgezogen und an einer anderen Schweißstelle erneut positioniert, um einen ähnlichen Punktschweißvorgang durchzuführen. Das Zurückziehen der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 lässt dort eine Wölbung 92 an der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 zurück, wo die Vertiefung 54 positioniert war. Die Wölbung 92 ist folglich in der eingepressten Aufstandsfläche 86 angeordnet, die durch die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 gebildet wurde, und sie ist im Allgemeinen bezüglich der mittleren Querschnittsfläche kleiner als die Schweißverbindung 88. Schweißdefekte neigen dazu, sich unterhalb und in der Wölbung 92 und von der Stoß-Grenzfläche 28 entfernt anzusammeln. Es wird angenommen, dass das Leiten der Schweißdefekte zu einem solchen Ort eine positive Auswirkung auf die Festigkeit der Schweißverbindung 88 aufweist.
Die Schweißverbindung 88 weist eine Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 94 und typischerweise eine intermetallische Fe-Al-Schicht 96 auf. Die Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 94 dringt bis zu einer Distanz in das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 ein, die vorzugsweise von ungefähr 20% bis ungefähr 80% der Dicke 140 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 reicht, obwohl sie in einigen Fällen die gesamte Dicke 140 (d. h. 100%) des Werkstücks 14 durchdringen kann. Die intermetallische Fe-Al-Schicht 96 befindet sich zwischen der Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 94 und dem Stahlwerkstück 12. Diese Schicht wird im Allgemeinen infolge einer Aluminiumdiffusion aus dem Aluminiumlegierungs-Schweißbad 80 in das Stahlwerkstück 12 hinein während des Stromflusses und für eine kurze Zeitdauer nach dem Stromfluss gebildet, wenn das Stahlwerkstück 12 weiterhin heiß ist. Sie kann FeAl₃, Fe₂Al₅, Fe₂Al₇ und andere Verbindungen umfassen. Wenn sie in der Richtung des Schweißstromflusses gemessen wird, kann die intermetallische Fe-Al-Schicht 96 zumindest in der Mitte der Schweißverbindung 88 unter der Wölbung 92 ungefähr 1 μm bis ungefähr 3 μm dick sein, wodurch sie im Allgemeinen dünner ist als das, was normalerweise beobachtet wird.
Es wird angenommen, dass die Bildung der konzentrierten Wärmezone in dem Stahlwerkstück 12 – im Vergleich zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 – die Festigkeit und Integrität der Schweißverbindung 88 zumindest auf eine von zwei Weisen verbessert. Erstens ändert die konzentrierte Wärmezone in dem Stahlwerkstück 12 die Temperaturverteilung über die Schweißstelle 16, indem radiale Temperaturgradienten in der Ebene des Werkstücks 12 erzeugt werden, die wiederum bewirken, dass das Aluminiumlegierung-Schweißschmelzbad 80 von seinem kühleren Außendurchmesser aus in Richtung seiner Mitte verfestigt. Dieses Verfestigungsverhalten treibt Schweißdefekte von dem Linsendurchmesser weg und in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 88, wo sie weniger stark dazu neigen, die Verbindung 88 zu schwächen und deren strukturelle Integrität zu stören. Zweitens neigt die Stoßfläche 20 des Stahlwerkstücks 12 in den Fällen, in denen das Stahl-Schweißbad 82 initiiert wird, dazu, sich von der Elektroden-Kontaktfläche 22 weg zu verzerren. Eine solche Verzerrung kann bewirken, dass das Stahlwerkstück 12 an der Schweißstelle 16 um bis zu 50% dicker wird. Die Zunahme der Dicke des Stahlwerkstücks 12 auf diese Weise trägt dazu bei, dass eine erhöhte Temperatur in der Mitte des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades 80 aufrecht erhalten wird – wodurch ermöglicht wird, dass dieses zuletzt abkühlt und erstarrt – was die radialen Temperaturgradienten weiter erhöhen und Schweißdefekte in Richtung der Mitte der Schweißverbindung 88 treiben kann. Das Anschwellen der Stoßfläche 20 des Stahlwerkstücks 12 kann auch die intermetallischen Zusammensetzungen aufbrechen, die dazu neigen, sich entlang der Grenzfläche 20 zu bilden, und, sobald die Verbindung in Betrieb ist, das Risswachstum entlang der Stoß-Grenzfläche 28 stören, indem die Risse entlang eines nicht bevorzugten Weges abgelenkt werden.
Andere Schweißelektrodenkonstruktionen außer den speziellen Ausführungsformen der Stahl- und Aluminiumlegierungs-Schweißelektroden 36, 40, die in 4–5 gezeigt sind, können zum Punktschweißen des Stapels 10 auf eine ähnliche Weise verwendet werden (d. h., indem die Stromdichte des Schweißstroms in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 verringert wird, indem der elektrische Strom durch einen Umfangsbereich der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode geleitet wird, um dadurch die Querschnittsfläche auszudehnen, durch welche der elektrische Strom entlang der Richtung von der Stoß-Grenzfläche 28 zu der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 hindurchtritt). Eine solche Abwandlung der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode, die mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet ist, ist in 9 gezeigt. Abwandlungen der Stahl-Schweißelektrode, die mit dem Bezugszeichen 136 und 236 bezeichnet sind, sind in 10 bzw. 11 gezeigt. Es besteht keine Einschränkung diesbezüglich, welche Elektroden miteinander verwendet werden können. Eine beliebige der Aluminiumlegierungs-Schweißelektroden 40, 140 kann mit einer beliebigen der Stahl-Schweißelektroden 36, 136, 236 und auch mit anderen Abwandlungen verwendet werden, die hier nicht explizit beschrieben sind, um den Werkstückstapel 10 auf die vorstehend beschriebene Weise punktzuschweißen.
Die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 140, die in 9 gezeigt ist, ist auf die gleiche Weise wie die Elektrode 40 konstruiert, die in 4 gezeigt ist, abgesehen von der Schweißfläche, die hier mit dem Bezugszeichen 244 bezeichnet ist. Die Schweißfläche 244 weist einen ringförmigen Vorsprung 31 auf, der eine Mittelachse 256 der Schweißfläche 244 umgibt. Der ringförmige Vorsprung 31 weist einen Durchmesser 310 auf und ragt von einer Basisfläche 33 der Schweißfläche 244 aufwärts, um an seiner Innenseite eine Vertiefung 254 zu begrenzen. Diese Vertiefung 254 wirkt dadurch ähnlich wie die Vertiefungen 54, 154 von 4–4A und 4B, dass sie als eine isolierende Lücke in der Mitte der Schweißfläche 244 zumindest während der Anfangsmomente des elektrischen Stromflusses wirkt. Ebenso wie zuvor bewirkt das kontinuierliche Hineinpressen der Schweißfläche 244 in die Elektroden-Kontaktfläche 26 während des Stromflusses zusätzlich, dass das aufgeweichte Aluminiumlegierungs-Werkstück die Vertiefung 254 zumindest teilweise füllt. Die resultierende Zunahme in der plastischen Verformung des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 unter der ringförmigen Erhöhung 31 und das Bewirken der relativen Bewegung zwischen den Werkstück-Stoßflächen 20, 24 an der Schweißstelle 16 tragen dazu bei, die Oberflächen-Oxidschicht aufzubrechen und zu zersetzen, die an der Stoßfläche 24 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 vorhanden ist.
Die Basisfläche 33 der Schweißfläche 244 weist sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des ringförmigen Vorsprungs 31 das gleiche gekrümmte Profil auf und versieht die Schweißfläche 244 mit ihrem spezifizierten Krümmungsradius (z. B. zwischen ungefähr 15 mm und ungefähr 300 mm). Der ringförmige Vorsprung 31 weist eine obere ebene Fläche 35 auf, die bis zu einer Höhe 311 über der Basisfläche 33 erhöht ist. Diese planare Fläche 35 schafft wie zuvor eine kontinuierliche Fläche, die gleichmäßig um die Vertiefung 54 herum verteilt ist und die Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 12 zu Beginn des Stromflusses derart kontaktiert, dass ein schnelles Einschneiden der Schweißfläche 44 in das Werkstück 12 hinein verhindert wird. Die Kontaktfläche, die durch flache Fläche 35 geschaffen wird, beträgt beim Einsetzen des Stromflusses vorzugsweise zumindest 28 mm² und stärker bevorzugt zumindest 50 mm². Bei einer speziellen Ausführungsform weist der ringförmige Vorsprung 31 beispielsweise einen Durchmesser 310, der von ungefähr 2 mm bis ungefähr 10 mm, stärker bevorzugt von ungefähr 3 mm bis ungefähr 8 mm, reicht, sowie eine Höhe 311 auf, die von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 3 mm, stärker bevorzugt von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr zur Hälfte (50%) der Dicke 140 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 140, reicht.
Obgleich sich die Form der Vertiefung 254, die hier in 9 gezeigt ist, etwas von der Form der Vertiefungen 54, 154 von 4–4A und 4B unterscheiden kann, fördern alle Vertiefungen 54, 154, 254 trotzdem die plastische Verformung des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 und bewirken eine relative Bewegung zwischen den Werkstück-Stoßflächen 20, 24 an der Schweißstelle 16 auf eine Weise, die dazu beiträgt, die Oberflächen-Oxidschicht aufzubrechen und zu zersetzen, die an der Stoßfläche 24 des Aluminiumlegierungs-Werkstücks 14 vorhanden ist. Jede der Vertiefungen 54, 154, 254 wird ebenso während des Einschneidens ihrer Schweißflächen 44, 144, 144 in die Elektroden-Kontaktfläche 26 hinein zumindest teilweise und oft vollständig mit dem aufgeweichten Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 gefüllt, wenn der elektrische Strom während des Punktschweißens hindurchtritt. Die resultierende Wölbung, die durch die Schweißflächen 44, 144, 244 gebildet wird, weis eine ähnliche Wirkung auf die Schweißverbindung 88 auf, die zwischen den zwei Werkstücken 12, 14 gebildet wird, obgleich ihre Form infolge der unterschiedlichen Größen und Formen der Vertiefungen 54, 154, 254 variieren kann, die in diese verschiedenen Schweißflächen 44, 144, 244 eingebunden sind.
Die Schweißelektrode, die in 10 gezeigt ist, weist die gleichen Basiskomponenten wie die Stahl-Schweißelektrode 36 auf, die in 5 gezeigt ist, abgesehen von zwei Hauptunterschieden. Erstens weist die Stahl-Schweißelektrode 136 eine Übergangsnase 150 auf – sie muss diese jedoch nicht notwendigerweise aufweisen –, die kegelstumpfförmig ist. Zweitens weist die Stahl-Schweißelektrode 136 eine Schweißfläche 170 auf, die eine Basisfläche 41 und ein Plateau 43 umfasst, das über die Basisfläche 41 ansteigt und vorzugsweise um eine Mittelachse 45 der Schweißfläche 170 zentriert ist. Die Basisfläche 41 der Schweißfläche 170 weist einen Durchmesser 410 von ungefähr 6 mm bis ungefähr 12 mm und einen Krümmungsradius von ungefähr 20 mm bis ungefähr 100 mm auf. Das Plateau 43 weist ein Plateaufläche 47 auf, die bezogen auf die Basisfläche 41 um ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 0,5 mm aufwärts verschoben ist. Die Plateaufläche 47 weist einen Durchmesser 450 von ungefähr 3 mm bis ungefähr 7 mm auf und ist flacher als die Basisfläche 41 der Schweißfläche 170 – die Plateaufläche 47 ist vorzugsweise eben oder weist einen Krümmungsradius von ungefähr 40 mm oder größer auf. Wenn die Stahl-Schweißelektrode 36, die in 5 gezeigt ist, als Teil des vorstehend beschriebenen Punktschweißvorgangs ersetzt wird, stellt die Plateaufläche 47 des Plateaus 43 einen Kontakt zu der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstücks 12 her und wird in diese hineingepresst. Die relative Härte des Stahlwerkstücks 12 hält die umgebende Schweißfläche 41 im Allgemeinen jedoch davon ab, einen Kontakt zu der Elektroden-Kontaktfläche 22 herzustellen und in diese hineingepresst zu werden.
Die Stahl-Schweißelektrode, die in 11 gezeigt ist, weist die gleichen Basiskomponenten wie die Stahl-Schweißelektrode 136 auf, die in 10 gezeigt ist, abgesehen von einem Hauptunterschied. Dieser ist, dass die Stahl-Schweißelektrode 236, die hier gezeigt ist, eine gekrümmte Schweißfläche 270 aufweist, die eine Basisfläche 51 und einen abgerundeten Vorsprung 53 aufweist, der über die Basisfläche 51 ansteigt und vorzugsweise um die Mittelachse 55 der Schweißfläche 270 zentriert ist. Die Basisfläche 51 der Schweißfläche 270 weist einen Durchmesser 510 von ungefähr 6 mm bis ungefähr 12 mm und einen Krümmungsradius von ungefähr 20 mm bis ungefähr 100 mm auf. Der abgerundete Vorsprung 53 ist vorzugsweise sphärisch geformt mit einem Durchmesser 530 an der Basisfläche 51, der von ungefähr 3 mm bis ungefähr 7 mm reicht, und einem Krümmungsradius, der von ungefähr 8 mm bis ungefähr 20 mm reicht. Wenn die Stahl-Schweißelektrode 36, die in 5 gezeigt ist, als Teil des vorstehend beschriebenen Punktschweißvorgangs ersetzt wird, schneidet der abgerundete Vorsprung 53 in die Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstücks 12 ein, um eine schärfere Aufstandsfläche 84 zu bilden. Es ist möglich, dass die schärfere Aufstandsfläche 84, die durch den abgerundeten Vorsprung 53 bedingt ist, die Stromdichte in dem Stahlwerkstück 12 erhöhen und relativ zu der flacheren Schweißfläche 70 der vorstehend beschriebenen Stahl-Schweißelektrode 36 steilere radiale thermische Gradienten erzeugen kann.
BEISPIEL
Diese Beispiele zeigen Verfahren zum Punktschweißen eines Stahlwerkstücks und eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks gemäß der vorstehenden Offenbarung. Bei dem ersten Beispiel wurde ein 1,2 mm dickes Werkstück aus der Aluminiumlegierung 6022 (oben) an ein 1,0 mm dickes Werkstück aus feuerverzinktem, kohlenstoffarmem Stahl (unten) widerstandspunktgeschweißt. Die Schweißelektrode, die auf der Aluminiumlegierungsseite verwendet wurde, ähnelte der in 4 gezeigten Elektrode, und die Schweißelektrode, die auf der Stahlseite verwendet wurde, ähnelte der in 5 gezeigten Elektrode. Die zwei Elektroden wurden mit ihren jeweiligen gegenüberliegenden Werkstückoberflächen in Kontakt gebracht, und es wurde ein elektrischer Strom zwischen ihnen für eine Zeit ausgetauscht, die zum Erreichen einer Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke ausreichend war. In diesem Fall wurde ein elektrischer Strom von 19 kA für eine Zeitdauer von ungefähr 500 ms unter einer Schweißkraft von ungefähr 800 lb (3559 N) angelegt. Ein Stahl-Schmelzschweißbad wurde in diesem speziellen Beispiel, wie es gezeigt ist, aufgrund des Fehlens irgendeines ausgeprägten Dickerwerdens des Stahlwerkstücks an der Schweißstelle nicht initiiert und nicht in dem Stahlwerkstück zum Wachsen gebracht.
Eine Mikroaufnahme des Querschnitts der Schweißverbindung wurde erstellt und ist in 12 gezeigt. Die Wölbung, die infolge der Vertiefung in der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode erzeugt wurde, ist in der Aufstandsfläche (nur teilweise gezeigt) an dem Aluminiumlegierungs-Werkstück deutlich sichtbar. Ein Konglomerat von Schweißdefekten ist in der Nähe der Mitte der Schweißverbindung und um diese herum zu erkennen und erstreckt sich von der Stoß-Grenzfläche aufwärts. Es wird angenommen, dass das Konglomerat der Schweißdefekte die Folge der unterschiedlichen Stromdichten, die in den Werkstücken hergestellt wurden (eine niedrigere Stromdichte in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück), und der Wirkung ist, welche die unterschiedlichen Stromdichten auf das Erstarrungsverhalten des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades hatten. Es wird angenommen, dass die Ansammlung der Schweißdefekte an einem einzigen inneren Ort – im Gegensatz dazu, dass die Schweißdefekte an und entlang der Stoß-Grenzfläche ausgebreitet werden – vorteilhaft zu der Festigkeit der Schweißverbindung beiträgt. Beispielsweise wurde gefunden, dass die Abschälfestigkeit der Schweißverbindung, die in 12 gezeigt ist, ungefähr 75 lb (334 N) beträgt, welche viel größer als die Abschälfestigkeit von 20 lb (89 N) ist, die für eine Schweißverbindung (zwischen ähnlichen Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücken) beobachtet wurde, die durch herkömmliche Schweißelektroden hergestellt wurde, bei welchen die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode keine Schweißfläche mit einem Umfangsbereich aufweist, der eine Vertiefung umgibt, wie es vorstehend beschrieben ist.
Bei einem zweiten Beispiel wurde ein 1 mm dickes Werkstück aus der Aluminiumlegierung 6111 (oben) an ein 0,8 mm dickes, feuerverzinktes und von Zwischenräumen freies Werkstück (unten) widerstandspunktgeschweißt. Die Schweißelektrode, die auf der Aluminiumlegierungsseite verwendet wurde, ähnelte der in 4 gezeigten Elektrode, und die Schweißelektrode, die auf der Stahlseite verwendet wurde, ähnelte der in 5 gezeigten Elektrode. Die zwei Elektroden wurden mit ihren jeweiligen gegenüberliegenden Werkstückoberflächen in Kontakt gebracht, und es wurde ein elektrischer Strom zwischen ihnen für eine Zeit ausgetauscht, die zum Erreichen einer Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke ausreichte. Hier wurde ein elektrischer Strom von 20 kA für eine Zeitdauer von ungefähr 300 ms unter einer Schweißkraft von ungefähr 800 lb (3559 N) angelegt. Ein Stahl-Schmelzschweißbad wurde bei diesem speziellen Beispiel, wie es gezeigt ist, aufgrund des Fehlens irgendeines ausgeprägten Dickerwerdens des Stahlwerkstücks an der Schweißstelle nicht initiiert und nicht in dem Stahlwerkstück zum Wachsen gebracht.
Eine Mikroaufnahme des Querschnitts der Schweißverbindung wurde erstellt und ist in 13 gezeigt. Die Wölbung, die infolge der Vertiefung in der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode erzeugt wurde, ist in der Aufstandsfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks deutlich sichtbar. Unter der Wölbung und entlang der Stoß-Grenzfläche befindet sich die Schweißverbindung. Bei diesem Beispiel wurde der Abschnitt der intermetallischen Fe-Al-Schicht unter der Wölbung gemessen, und es wurde beobachtet, dass diese ungefähr 1 um bis ungefähr 3 μm dick war, was im Allgemeinen dünner ist als das, was normalerweise bei der Beobachtung erwartet wird, wenn Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke punktgeschweißt werden. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die verringerte Dicke des zentralen Abschnitts der intermetallischen Fe-Al-Schicht zusammen mit den Veränderungen des Erstarrungsverhaltens des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades, welche durch die verringerte Schweißstromdichte in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück verursacht wurden, zu der Festigkeit der Schweißverbindung beitrug. Speziell ergab der Test, dass die Schweißverbindung eine Schweißfestigkeit von 546 lb (2428 N) bezüglich der Scherung aufwies. Eine solche Scherfestigkeit der Schweißverbindung ist signifikant größer als die minimal erforderliche Scherfestigkeit von 300 lb (1334 N), wie sie durch die SAE-Luftfahrt-Materialspezifikation AMS-W-6858A für ein Aluminiumlegierungs-Werkstück mit den gleichen Abmessungen spezifiziert ist.
Die praktische Stärke der Schweißverbindung ist in 14–15 gezeigt. Jede dieser Figuren zeigt das Ergebnis eines Abschälfestigkeitstests, der an einer Punktschweißverbindung ausgeführt wurde, die an einer Stoß-Grenzfläche eines 1 mm dicken Werkstücks aus der Aluminiumlegierung 6111 und eines 0,8 mm dicken, feuerverzinkten und von Zwischenräumen freien Stahlwerkstücks gebildet wurde. Die speziellen Beobachtungen nach dem Abschälfestigkeitstest, welche hier ausgeführt wurden, hatten zur Folge, dass die Fläche in der Schweißverbindung und um diese herum überprüft wurde, nachdem die zwei punktverschweißten Werkstücke voneinander abgeschält wurden, um ein Gefühl für die Festigkeit und Integrität der Schweißverbindung zu erlangen. Die in 14 gezeigte Aufnahme stammt von einer Schweißverbindung, die durch eine Punktschweißtechnik gebildet wurde, bei welcher der elektrische Strom, der durch das Stahl- und das Aluminiumlegierungs-Werkstück geleitet wurde, bei einer im Wesentlichen konstanten Stromdichte gehalten wurde, und es wurde keine Wölbung in der Aufstandsfläche auf der Aluminiumlegierungsseite gebildet. Das beobachtete Ergebnis des Abschälfestigkeitstests war in diesem Fall ein Versagen an der Grenzfläche der Schweißverbindung. Ein Versagen an der Grenzfläche tritt auf, wenn die Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche bricht und es möglich ist, die zwei Werkstücke leicht auseinander zu ziehen.
Die in 15 gezeigte Aufnahme stammt im Gegensatz dazu von einer Schweißverbindung, die gemäß der vorstehenden Offenbarung gebildet wurde. Das Ergebnis des Abschälfestigkeitstests zeigte in diesem Fall, dass die Schweißverbindung stärker als diejenige war, die 14 zugeordnet ist. Diese Schlussfolgerung wird durch die Tatsache gestützt, dass die Schweißverbindung nicht brach und kein Versagen an der Grenzfläche erlitt; stattdessen wurde das Aluminiumlegierungs-Werkstück um den Rand der Schweißverbindung herum herausgerissen, und ein Aluminiumlegierungs-Schweißknopf blieb metallurgisch mit der Stoßfläche des Stahlwerkstücks mittels der Schweißverbindung verbunden. Mit anderen Worten war die Schweißverbindung dann, als die zwei Werkstücke auseinandergezogen wurden, stark genug, um ihre metallurgische Bindung beizubehalten und um einen Teil des Aluminiumlegierungs-Werkstücks herauszureißen. Tatsächlich ist die Wölbung, die an der Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks durch die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode gebildet wurde, in 15 an dem Aluminiumlegierungs-Schweißknopf, der zurückgelassen wurde, noch zu sehen.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen und spezifischer Beispiele ist rein darstellender Natur; diese sollen den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Ausdrücke soll seine gebräuchliche und übliche Bedeutung haben, es sei denn, in der Beschreibung wird ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes zum Ausdruck gebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6861609 [0034]
US 8222560 [0034]
US 8274010 [0034]
US 8525066 [0034]

Claims

Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Stapel bereitgestellt wird, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, die überlappen, um eine Stoß-Grenzfläche bereitzustellen; eine Schweißfläche einer Stahl-Schweißelektrode mit einer Oberfläche des Stahlwerkstücks in Kontakt gebracht wird; eine Schweißfläche einer Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode mit einer Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks in Kontakt gebracht wird, wobei die Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode eine Vertiefung und einen Umfangsbereich, der die Vertiefung umgibt, umfasst; und ein elektrischer Strom zwischen der Stahl-Schweißelektrode und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode geleitet wird, wobei der elektrische Strom zumindest anfänglich derart durch den Umfangsbereich der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode hindurchtritt, dass der Schweißstrom eine größere Stromdichte in dem Stahlwerkstück als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umfangsbereich der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode eine ringförmige Umfangsbasisfläche umfasst, welche die Vertiefung umgibt und begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vertiefung durch einen Boden und eine abgeschrägte umlaufende Seitenwand definiert ist, welche den Boden mit der ringförmigen Umfangsbasisfläche an einer Öffnung der Vertiefung verbindet, oder wobei die Vertiefung durch einen konkaven Boden definiert ist, der mit der ringförmigen Umfangsbasisfläche an einer Öffnung der Vertiefung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umfangsbereich der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode einen ringförmigen Vorsprung umfasst, der von einer Basisfläche der Schweißfläche aufwärts ragt, um auf seiner Innenseite die Vertiefung zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Leiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden bewirkt, dass das Aluminiumlegierungs-Werkstück zumindest teilweise die Vertiefung ausfüllt, wenn die Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode in die Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks hineingepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Leiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück und an der Stoß-Grenzfläche initiiert und zum Wachsen bringt, und ferner umfassend, dass: der elektrische Strom derart gestoppt wird, dass das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad an der Stoß-Grenzfläche des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstücks in eine Schweißverbindung erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Leiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden zusätzlich ein Stahl-Schweißschmelzbad in dem Stahlwerkstück initiiert und zum Wachsen bringt und wobei das Stoppen des Schweißstroms das Stahl-Schweißschmelzbad ferner in eine Stahlschweißlinse erstarren lässt.
Verfahren zum Punktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Oberfläche eines Stahlwerkstücks mit einer Stahl-Schweißelektrode in Kontakt gebracht wird; eine Oberfläche eines Aluminiumlegierungs-Werkstücks mit einer Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode in Kontakt gebracht wird; ein elektrischer Strom zwischen der Stahl-Schweißelektrode und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode und über eine Stoß-Grenzfläche des Stahlwerkstücks und des Aluminiumlegierungs-Werkstücks geleitet wird, um ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad an der Stoß-Grenzfläche zu initiieren und zum Wachsen zu bringen; und die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode während des Durchgangs des elektrischen Stroms in die Oberfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstücks hineingepresst wird, um eine Aufstandsfläche zu bilden, die nach dem Abschalten des elektrischen Stroms eine Wölbung in dieser enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode eine Schweißfläche umfasst, die einen Umfangsbereich aufweist, der eine Vertiefung umgibt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Leiten des elektrischen Stroms umfasst, dass eine Stromdichte des elektrischen Stroms in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück verringert wird, indem der elektrische Strom durch den Umfangsbereich der Schweißfläche der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode hindurchtritt, um dadurch die Querschnittsfläche auszudehnen, durch die der elektrische Strom entlang der Richtung von der Stoß-Grenzfläche der Werkstücke zu der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode hindurchtritt.