DE102017102032A1

DE102017102032A1 - Fräswerkzeug für Schweisselektroden und Verfahren, um dieses zu verwenden

Info

Publication number: DE102017102032A1
Application number: DE102017102032.2A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; Blair E. Carlson; Michael J. Karagoulis
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2017-08-10

Abstract

Es wird ein Fräswerkzeug, das asymmetrische Schweißseitengeometrien von zwei Schweißelektroden gleichzeitig fräsen und wiederherstellen kann, welche unterschiedlichen Verschlechterungsmechanismen unterliegen, zusammen mit einem Verfahren zum Verwenden eines derartigen Fräswerkzeugs während eines Widerstandspunktschweißens von Werkstückstapeln, welche einander unähnliche Werkstücke aus Metall enthalten, offenbart. Das Fräswerkzeug enthält eine erste Fräsaufnahme und eine zweite Fräsaufnahme. Die erste Fräsaufnahme wird durch eine oder mehrere erste Abscherflächen definiert, und die zweite Fräsaufnahme wird durch eine oder mehrere zweite Abscherflächen definiert. Die ersten Abscherflächen und die zweiten Abscherflächen sind profiliert, um eine erste Schweißseitengeometrie bzw. eine zweite Schweißseitengeometrie, welche sich voneinander unterscheiden, nach dem Aufnehmen von Elektrodenschweißseiten in die Fräsaufnahmen und einer Drehung des Fräswerkzeugs zu fräsen und wieder herzustellen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nummer 62/291,005, die am 4. Februar 2016 eingereicht wurde. Der Offenbarungsgehalt der vorstehend erwähnten vorläufigen Anmeldung ist hier durch Bezugnahme mit aufgenommen.
TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein ein Fräswerkzeug zum Nacharbeiten von Schweißelektroden bzw. Schweißkappen, die zum Widerstandspunktschweißen von Werkstückstapeln verwendet werden, die einander unähnliche Werkstücke enthalten, etwa ein Werkstück aus Aluminium und ein benachbartes Werkstück aus Stahl.
EINLEITUNG
Widerstandspunktschweißen ist ein Prozess, der in einer Anzahl von Industrien verwendet wird, um zwei oder mehrere Werkstücke aus Metall zusammenzufügen. Die Kraftfahrzeugindustrie beispielsweise verwendet oft Widerstandspunktschweißen, um Werkstücke aus Metall unter anderem während der Herstellung von Strukturrahmenelementen (z. B. Karosserieseiten- und Querelemente) und Fahrzeugschließelementen (z. B. Fahrzeugtüren, Motorhauben, Kofferraumdeckel und Heckklappen) zusammenzufügen. An verschiedenen Punkten entlang eines Rands der Werkstücke aus Metall oder an einer anderen Verbindungsregion wird oft eine Anzahl von Schweißpunkten ausgebildet, um sicherzustellen, dass das Teil strukturell stabil ist. Obwohl Punktschweißen typischerweise praktiziert worden ist, um bestimmte ähnlich zusammengesetzte Werkstücke aus Metall zusammenzufügen – etwa Stahl mit Stahl und Aluminium mit Aluminium –, hat der Wunsch zum Einbauen von leichteren Materialien in eine Fahrzeugkarosseriestruktur Interesse am Zusammenfügen von Werkstücken aus Stahl mit Werkstücken aus Aluminium durch Widerstandspunktschweißen erzeugt. Der vorstehend erwähnte Wunsch zum Widerstandspunktschweißen von einander unähnlichen Werkstücken aus Metall ist nicht einzigartig für die Kraftfahrzeugindustrie; tatsächlich erstreckt er sich auf andere Industrien, die Punktschweißen verwenden können, einschließlich der Luftfahrt-, Schifffahrts-, Eisenbahn- und Bauindustrie.
Widerstandspunktschweißen beruht allgemein auf dem Fließen eines elektrischen Stroms durch einander überlappende Werkstücke aus Metall, um Wärme zu erzeugen. Zum Ausführen eines derartigen Schweißprozesses wird ein Satz von einander gegenüberliegenden Schweißelektroden in aufeinander zu orientierter Ausrichtung gegen entgegengesetzte Seiten des Werkstückstapels gepresst, der typischerweise zwei oder drei Werkstücke aus Metall enthält, die in einer überlappenden Konfiguration angeordnet sind. Dann wird elektrischer Strom von einer Schweißelektrode durch die Metallwerkstücke hindurch zu der anderen geleitet. Ein Widerstand gegen das Fließen dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme in den Werkstücken aus Metall und an ihren Stoßflächen. Wenn der Werkstückstapel ein Werkstück aus Aluminium und ein benachbartes überlappendes Werkstück aus Stahl enthält, verursacht die Wärme, die an der Stoßfläche und innerhalb der Materialmasse dieser einander unähnlichen Werkstücke aus Metall erzeugt wird, die Entstehung eines Schmelzbads aus Aluminiumschmelze, welches von der Stoßfläche aus in das Werkstück aus Aluminium vordringt, und lässt es anwachsen. Dieses Schmelzbad aus Aluminiumschmelze benetzt die benachbarte Stoßfläche des Werkstücks aus Stahl und erstarrt nach dem Beenden des Stromflusses zu einer Schweißfügestelle, welche die zwei Werkstücke miteinander durch Schweißen verbindet.
Jede der Schweißelektroden, die zum Durchführen eines Widerstandspunktschweißens verwendet werden, enthält eine Schweißseite, die an einem Ende eines Elektrodenkörpers angeordnet ist. Die Schweißseite ist der Abschnitt der Schweißelektrode, der den Werkstückstapel kontaktiert und damit elektrisch kommuniziert. Über den Verlauf wiederholter Widerstandspunktschweißoperationen hinweg sind die Schweißseiten der Schweißelektroden anfällig für eine Verschlechterung aufgrund der großen Wärmemenge, die an den Schweißseiten während eines Stromflusses erzeugt wird, und der hohen Kompressionskraft, die verwendet wird, um die Schweißseiten gegen den Werkstückstapel zu drücken. Diese Verschlechterung kann eine plastische Deformation der Schweißseite und/oder das Entstehen einer Kontaminierung umfassen, welche aus einer Reaktion zwischen der Elektrode und dem jeweiligen kontaktierten Werkstück bei erhöhten Temperaturen resultiert. Um die Lebensdauer der Schweißelektroden zu verlängern, speziell in einer Produktionsumgebung, kann die ursprüngliche Geometrie der Schweißseiten der Schweißelektroden periodisch wiederhergestellt werden. Dieser Wiederherstellungsprozess sollte schnell, praktisch und genau sein, so dass er Produktionsoperationen nicht dadurch unterbricht, dass die Schweißelektroden für längere Zeitperioden nicht zur Verfügung stehen.
Das Widerstandspunktschweißen eines Werkstücks aus Aluminium an ein Werkstück aus Stahl ist mit Problemen belastet. Abgesehen von der Notwendigkeit zum periodischen Nacharbeiten von Schweißseiten, die unterschiedliche Verschlechterungsmechanismen durchlaufen, machen es die völlig unterschiedlichen Eigenschaften der zwei Werkstücke und das Vorhandensein einer mechanisch festen, elektrisch isolierenden und sich selbst heilenden hitzebeständigen Oxidschicht (oder mehrerer Schichten) auf dem Werkstück aus Aluminium schwierig, Schweißverbindungen mit angemessener Abschäl- und Querspannungsfestigkeit auf konsistente Weise zu erzielen. Da die bisherigen Bemühungen beim Punktschweißen nicht besonders erfolgreich gewesen sind, wurden hauptsächlich mechanische Befestigungselemente, die Stanznieten und ”Flow-Drill”-Schrauben umfassen, verwendet, um Werkstücke aus Aluminium und Stahl aneinander zu befestigen. Jedoch benötigen mechanische Befestigungselemente mehr Zeit zur Installation und weisen im Vergleich mit dem Punktschweißen hohe Verbrauchskosten auf. Außerdem fügen sie Gewicht zu der Fahrzeugkarosseriestruktur hinzu – Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen mit Hilfe von Punktschweißen bewerkstelligt wird – welches einem Teil der Gewichtseinsparungen entgegenwirkt, die hauptsächlich durch die Verwendung von Werkstücken aus Aluminium erzielt werden. Zudem können mechanische Befestigungselemente Stellen für eine galvanische Korrosion an dem Werkstück aus Aluminium einbringen, da die Befestigungselemente typischerweise aus Stahl bestehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform eines Fräswerkzeugs, das zum Nacharbeiten asymmetrischer Schweißseitengeometrien von ersten und zweiten Schweißelektroden in der Lage ist, umfasst einen Körper und ein Fräselement innerhalb des Körpers. Der Körper weist ein erstes Ende, das eine erste Öffnung aufweist, und ein zweites Ende, das eine zweite Öffnung aufweist, auf. Das Fräselement weist eine oder mehrere Fräsfurchen auf. Jede der einen oder mehreren Fräsfurchen erstreckt sich von einer Innenoberfläche des Körpers aus nach innen und umfasst eine Fräsklinge, die axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen aufweist. Die eine oder die mehreren Fräsfurchen bilden daher eine erste Fräsaufnahme, die durch die ersten Abscherflächen definiert ist und durch die erste Öffnung des Körpers hindurch zugänglich ist, und eine zweite Fräsaufnahme, die durch die zweiten Abscherflächen definiert ist und durch die zweite Öffnung des Körpers hindurch zugänglich ist. Die erste Fräsaufnahme ist konstruiert, um eine erste Schweißseitengeometrie in eine Schweißseite einer ersten Schweißelektrode hinein zu fräsen, und die zweite Fräsaufnahme ist konstruiert, um eine zweite Schweißseitengeometrie in eine Schweißseite einer zweiten Schweißelektrode hinein zu fräsen, wenn die Schweißseiten der ersten und zweiten Schweißelektroden in der ersten bzw. zweiten Fräsaufnahme aufgenommen sind und das Fräswerkzeug gedreht wird. Die erste Schweißseitengeometrie umfasst eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und die zweite Schweißseitengeometrie umfasst eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe aufrecht stehender kreisförmiger Grate, die von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen vorstehen.
Die Konstruktion des Fräswerkzeugs unterliegt einer bestimmten Variabilität, ohne dass es seine Fähigkeit zum Nacharbeiten verliert. Beispielsweise kann jede der einen oder mehreren Fräsfurchen ein längliches Fußstück umfassen, das die Fräsklinge an der Innenoberfläche des Körpers abstützt. Das längliche Fußstück von jeder der einen oder mehreren Fräsfurchen kann in einen Haltekanal eingepresst sein, der durch eine abgesenkte Oberfläche in der Innenoberfläche des Körpers definiert ist, um das Fräselement innerhalb des Körpers starr festzuhalten. Oder das längliche Fußstück von jeder der einen oder mehreren Fräsfurchen kann in einer anderen Implementierung einstückig mit der Innenoberfläche des Körpers ausgebildet sein, um das Fräselement innerhalb des Körpers starr festzuhalten.
Als weiteres Beispiel für eine spezielle Konstruktion des Fräswerkzeugs kann das Fräselement eine erste Fräsfurche, die eine erste Fräsklinge aufweist, eine zweite Fräsfurche, die eine zweite Fräsklinge aufweist, eine dritte Fräsfurche, die eine dritte Fräsklinge aufweist und eine vierte Fräsfurche, die eine vierte Fräsklinge aufweist, umfassen. Die erste, zweite, dritte und vierte Fräsklinge sind in Umfangsrichtung voneinander derart beabstandet, dass jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen quer zu jeder ihrer zwei in Umfangsrichtung benachbarten Fräsklingen orientiert ist. Zudem enthält jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen. Die ersten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die erste Fräsaufnahme, und die zweiten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die zweite Fräsaufnahme.
Wenn das Fräselement des Weiteren die ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen enthält, weisen sowohl die erste Abscherfläche der ersten Fräsklinge als auch die erste Abscherfläche der dritten Fräsklinge, die aufeinander ausgerichtet sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist. Analog weisen sowohl die zweite Abscherfläche der zweiten Fräsklinge als auch die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge, die aufeinander ausgerichtet sind, jedoch quer zu der ersten Abscherfläche der ersten Fräsklinge und der ersten Abscherfläche der dritten Fräsklinge orientiert sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist, und der ferner eine Vielzahl von Eindringrillen umfasst, die sich von der Vorderkante aus über zumindest einen Teil der Strecke bis zu der Hinterkante erstrecken. Die Eindringrillen, die sich über den unteren Endabschnitt der zweiten Abscherfläche der zweiten Fräsklinge und über die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge hinweg erstrecken, können gekrümmt oder gerade verlaufen.
Die erste Abscherfläche der ersten und dritten Fräsklingen und die zweite Abscherfläche der zweiten und vierten Fräsklingen können neben ihren jeweiligen unteren Endabschnitten zusätzliche Strukturen aufweisen. Beispielsweise können die erste Abscherfläche von sowohl der ersten als auch der dritten Fräsklinge auch einen oberen Endabschnitt enthalten, der sich von ihrem jeweiligen unteren Endabschnitt aus erstreckt und eine konvexe Gestalt aufweist. Der obere Endabschnitt der ersten Abscherfläche von sowohl der ersten als auch der dritten Fräsklinge weist eine Vorderkante und eine Hinterkante auf. Analog kann die zweite Abscherfläche sowohl der zweiten als auch der vierten Fräsklinge einen oberen Endabschnitt enthalten, der sich von ihrem jeweiligen unteren Endabschnitt aus erstreckt und eine konvexe Gestalt aufweist. Der obere Endabschnitt der zweiten Abscherfläche sowohl der zweiten als auch der vierten Fräsklinge weist eine Vorderkante und eine Hinterkante auf.
Des Weiteren können spezielle Beispiele für die erste und zweite Schweißseitengeometrie ferner definiert werden, welche von dem Fräswerkzeug nachgearbeitet werden können. Die erste Schweißseitengeometrie kann beispielsweise eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 3 mm und 16 mm und einen Krümmungsradius zwischen 8 mm und 400 mm aufweist. Im Hinblick auf die zweite Schweißseitengeometrie kann diese eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 8 mm und 20 mm und einen Krümmungsradius zwischen 15 mm und 300 mm aufweist, und sie kann ferner zwischen zwei und zehn aufrecht stehende kreisförmige Grate enthalten, die eine Schweißseitenachse umgeben und deren Durchmesser von einem innersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der die Schweißseitenachse unmittelbar umgibt, zu einem äußersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der von der Schweißseitenachse am weitesten entfernt ist, zunimmt. Die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate können auf der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche um eine Distanz von 50 μm bis 1800 μm beabstandet sein und jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate kann eine Grathöhe aufweisen, die im Bereich von 20 μm bis 500 μm liegt.
Eine weitere Ausführungsform eines Fräswerkzeugs, das in der Lage ist, asymmetrische Schweißseitengeometrien von ersten und zweiten Schweißelektroden nachzuarbeiten, enthält einen Körper und ein Fräselement innerhalb des Körpers. Der Körper erstreckt sich der Länge nach entlang einer Mittelachse zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Das Fräselement bildet eine erste Fräsaufnahme, die durch die erste Öffnung an dem ersten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist, und es bildet ferner eine zweite Fräsaufnahme, die durch eine zweite Öffnung an dem zweiten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist. Das Fräselement umfasst eine Fräsfurche, die eine Fräsklinge mit axial voneinander beabstandeten und entgegengesetzten ersten und zweiten Abscherflächen enthält, welche zumindest teilweise die erste bzw. zweite Fräsaufnahme definieren. Die erste Abscherfläche umfasst einen unteren Endabschnitt, der zum Fräsen einer ersten Schweißseitengeometrie profiliert ist, welche eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfasst, und die zweite Abscherfläche umfasst einen unteren Endabschnitt, der zum Fräsen einer zweiten Schweißseitengeometrie profiliert ist, welche eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten umfasst, die von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen vorstehen.
Spezielle Beispiele für die erste und zweite Schweißseitengeometrie, die von dem Fräswerkzeug nachgearbeitet werden können, können weiter definiert werden. Die erste Schweißseitengeometrie kann beispielsweise eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 3 mm und 16 mm und einen Krümmungsradius zwischen 8 mm und 400 mm aufweist. Im Hinblick auf die zweite Schweißseitengeometrie kann diese eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 8 mm und 20 mm und einen Krümmungsradius zwischen 15 mm und 300 mm aufweist, und sie kann ferner zwischen zwei und zehn aufrecht stehende kreisförmige Grate enthalten, die eine Schweißseitenachse umgeben und deren Durchmesser von einem innersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der die Schweißseitenachse unmittelbar umgibt, zu einem äußersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der von der Schweißseitenachse am weitesten entfernt ist, zunimmt. Die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate können auf der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche um eine Distanz von 50 μm bis 1800 μm voneinander beabstandet sein und jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate kann eine Grathöhe aufweisen, die in einem Bereich von 20 μm bis 500 μm liegt.
Die Konstruktion des Fräswerkzeugs unterliegt einer bestimmten Variabilität, ohne dass es seine Fähigkeit zur Nacharbeitung verliert. Beispielsweise kann das Fräselement eine erste Fräsfurche mit einer ersten Fräsklinge, eine zweite Fräsfurche mit einer zweiten Fräsklinge, eine dritte Fräsfurche mit einer dritten Fräsklinge und eine vierte Fräsfurche mit einer vierten Fräsklinge umfassen. Die erste, zweite, dritte und vierte Fräsklinge sind in Umfangsrichtung derart voneinander beabstandet, dass jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen zu jeder von ihren zwei in Umfangsrichtung benachbarten Fräsklingen quer orientiert ist. Zudem enthält jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen. Die ersten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die erste Fräsaufnahme, und die zweiten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die zweite Fräsaufnahme.
Wenn das Fräselement die ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen enthält, weist des Weiteren sowohl die erste Abscherfläche der ersten Fräsklinge als auch die erste Abscherfläche der dritten Fräsklinge, welche aufeinander ausgerichtet sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist. Analog weisen sowohl die zweite Abscherfläche der zweiten Fräsklinge als auch die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge, welche aufeinander ausgerichtet sind, jedoch quer zu der ersten Abscherfläche der ersten Fräsklinge und der ersten Abscherfläche der dritten Fräsklinge orientiert sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, welche um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist, und der ferner eine Vielzahl von Eindringrillen umfasst, die sich von der Vorderkante aus über zumindest einen Teil der Strecke bis zu der Hinterkante erstrecken.
Als weiteres Beispiel für eine spezielle Konstruktion des Fräswerkzeugs kann das Fräselement innerhalb des Körpers auf mehrere verschiedene Weisen abgestützt sein. Bei einer speziellen Implementierung sind der Körper und das Fräselement einstückig ausgebildet. In einer anderen Implementierung sind der Körper und das Fräselement separate Einzelstücke, die aneinander befestigt sind. Die Befestigung zwischen dem Körper und dem Fräselement kann auf eine beliebige einer großen Vielfalt von akzeptablen Weisen erreicht werden. In einer speziellen Ausführungsform beispielsweise kann die Fräsfurche ein längliches Fußstück umfassen, das die Fräsklinge an der Innenoberfläche des Körpers abstützt. Das längliche Fußstück kann in einen Haltekanal eingepresst sein, der durch eine abgesenkte Oberfläche in der Innenoberfläche des Körpers definiert ist, um das Fräselement innerhalb des Körpers starr festzuhalten.
Ein Verfahren zum Nacharbeiten von Schweißelektroden, die asymmetrische Schweißseitengeometrien aufweisen, umfasst in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung mehrere Schritte. Im Speziellen wird ein Fräswerkzeug bereitgestellt, das einen Körper und ein Fräselement innerhalb des Körpers enthält. Das Fräselement umfasst eine oder mehrere Fräsfurchen, die eine erste Fräsaufnahme und eine zweite Fräsaufnahme bilden. Die erste Fräsaufnahme ist durch eine erste Öffnung an einem ersten Ende des Körpers hindurch zugänglich, und die zweite Fräsaufnahme ist durch eine zweite Öffnung an einem zweiten Ende des Körpers hindurch zugänglich. Eine erste Schweißseite einer ersten Schweißelektrode wird in die erste Fräsaufnahme aufgenommen, und eine zweite Schweißseite einer zweiten Schweißelektrode wird in die zweite Fräsaufnahme aufgenommen. Sobald die erste und zweite Schweißseite in die erste bzw. zweite Fräsaufnahme aufgenommen sind, wird das Fräswerkzeug gedreht, um eine erste Schweißseitengeometrie in der ersten Schweißseite und eine zweite Schweißseitengeometrie in der zweiten Schweißseite zu fräsen und wieder herzustellen. Die erste Schweißseitengeometrie umfasst eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche, und die zweite Schweißseitengeometrie umfasst eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe aufrecht stehender kreisförmiger Grate, die von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen vorstehen.
Das Verfahren zum Nacharbeiten von Schweißelektroden, die asymmetrische Schweißseitengeometrien aufweisen, kann mit bestimmten Bevorzugungen in die Praxis umgesetzt werden. Beispielsweise kann das Fräswerkzeug mit zwischen einer und zehn vollständigen Umdrehungen um Achsen der ersten und zweiten Schweißseiten herum gedreht werden, so dass eine Materialtiefe im Bereich von 10 μm bis 500 μm von sowohl der ersten Schweißseite als auch der zweiten Schweißseite bei der Wiederherstellung der ersten Schweißseitengeometrie und der zweiten Schweißseitengeometrie entfernt wird. Zudem kann ein Satz von zehn bis einhundert Schweißverbindungen zwischen überlappenden und benachbarten Werkstücken aus Stahl und Aluminium ausgebildet werden, bevor die erste Schweißseite in die erste Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird und die zweite Schweißseite in die zweite Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird. Selbstverständlich können viele andere Variationen des Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen in die Praxis umgesetzt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und speziell der ersten Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs;
2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Fräswerkzeugs, und speziell der zweiten Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs;
3 ist eine Explosionsansicht des in 1–2 dargestellten Fräswerkzeugs, die einen Körper und ein Fräselement, die voneinander getrennt sind, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht des in 1–2 dargestellten Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
5 ist eine Draufsicht auf die erste Fräsaufnahme des in 1–2 dargestellten Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
6 ist eine Draufsicht auf die zweite Fräsaufnahme des in 1––2 dargestellten Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Klingenabschnitts von einer der Fräsfurchen entlang von Schnittlinien 7-7 in 5;
8 ist eine Querschnittsansicht eines Klingenabschnitts von einer der Fräsfurchen entlang von Schnittlinien 8-8 in 6;
9 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der zweiten Abscherflächen des in 2 gezeigten Fräselements, in welcher zwei dieser Flächen eine Vielzahl von Eindringrillen definieren;
10 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode bzw. Schweißkappe, die eine erste Schweißseitengeometrie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung enthält;
11 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode bzw. Schweißkappe, die eine zweite Schweißseitengeometrie enthält, welche sich von der ersten Schweißseitengeometrie unterscheidet, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
12 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Schweißseite der in 11 gezeigten Schweißelektrode;
13 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Stahl und ein benachbartes Werkstück aus Aluminium enthält, die in überlappender Weise angeordnet sind und zwischen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode liegen, wobei die erste und zweite Schweißelektrode unterschiedliche Schweißseitengeometrien aufweisen;
14 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, welcher ein Werkstück aus Stahl und ein benachbartes Werkstück aus Aluminium enthält, die in überlappender Weise angeordnet sind und zwischen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode liegen, wobei die erste und zweite Schweißelektrode unterschiedliche Schweißseitengeometrien aufweisen, obwohl hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthält (d. h. zwei Werkstücke aus Stahl und ein Werkstück aus Aluminium), in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
15 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Stahl und ein benachbartes Werkstück aus Aluminium enthält, die in überlappender Weise angeordnet sind und zwischen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode liegen, wobei die erste und zweite Schweißelektrode unterschiedliche Schweißseitengeometrien aufweisen, obwohl der Werkstückstapel hier ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium enthält (d. h. zwei Werkstücke aus Aluminium und ein Werkstück aus Stahl), in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
16 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, die in 13 gezeigt sind, während des Durchleitens eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch und wobei das Durchleiten des elektrischen Stroms ein Schmelzen des Werkstücks aus Aluminium, welches benachbart zu dem Werkstück aus Stahl liegt, und das Erzeugen eines Schmelzbads aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks aus Aluminium verursacht hat;
17 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, die in 13 gezeigt sind, nachdem das Durchleiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch beendet wurde und wobei sich das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu einer Schweißverbindung erstarrt ist, welche die benachbarten Werkstücke aus Aluminium und Stahl durch eine Schweißverbindung miteinander verbindet; und
18 stellt ein Nacharbeiten von zumindest den Schweißseiten der ersten und zweiten Schweißelektroden dar, wobei die erste Schweißelektrode in die erste Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird und die zweite Schweißelektrode in die zweite Fräsaufnahme aufgenommen wird.
GENAUE BESCHREIBUNG
Es wird ein Fräswerkzeug offenbart, welches gleichzeitig asymmetrische Schweißseitengeometrien von zwei Schweißelektroden fräsen und wiederherstellen kann, die unterschiedlichen Verschlechterungsmechanismen unterworfen sind. Das Fräswerkzeug kann als Teil eines Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels verwendet werden, der benachbarte und überlappende Werkstücke aus Stahl und Aluminium enthält. Im Speziellen können eine erste Schweißelektrode mit einer ersten Schweißseite und eine zweite Schweißelektrode mit einer zweiten Schweißseite verwendet werden, um einen elektrischen Strom an einer Schweißanlage durch den Werkstückstapel hindurch zu leiten. Die Geometrie der ersten Schweißseite und die Geometrie der zweiten Schweißseite sind aufgrund der Notwendigkeit zum Kompensieren der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der benachbarten Werkstücke aus Stahl und Aluminium asymmetrisch. Im Lauf der Zeit verschlechtern sich die erste und zweite Schweißseite in einem derartigen Ausmaß, dass Punktschweißoperationen nachteilig beeinflusst werden. Um dieses Problem anzusprechen, kann das Fräswerkzeug verwendet werden, um sowohl die erste als auch die zweite Schweißseite der ersten bzw. zweiten Schweißelektrode periodisch nachzuarbeiten. Ein Nacharbeiten der Schweißseiten umfasst das Aufnehmen der ersten Schweißseite in eine erste Fräsaufnahme und das Aufnehmen der zweiten Schweißseite in eine zweite Fräsaufnahme, und dann das Drehen des Fräswerkzeugs um die Achsen der ersten und zweiten Schweißseiten herum, um die Schweißseiten zu fräsen und ihre Geometrien wiederherzustellen.
Ein Fräswerkzeug und ein Verfahren zum Verwenden des Fräswerkzeugs im Kontext des Widerstandspunktschweißens eines Werkstückstapels, der benachbarte und überlappende Werkstücke aus Stahl und Aluminium enthält, sind mit Bezug auf 1–18 beschrieben. Das Fräswerkzeug ist konstruiert, um gleichzeitig die Schweißseiten von beiden Schweißelektroden nachzuarbeiten, obwohl die Geometrien der Schweißseiten aufgrund der erheblichen Unterschiede der physikalischen Eigenschaften zwischen den Werkstücken aus Stahl und Aluminium (z. B. Schmelzpunkt, thermische Leitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen usw.) asymmetrisch konstruiert sind. Auf diese Weise können die Schweißseiten von beiden Schweißelektroden mit dem gleichen Fräswerkzeug in einer einzigen Operation periodisch nachgearbeitet werden, um deren ursprüngliche einzigartige Geometrien wiederherzustellen, statt dass sie separat durch ihre eigenen dedizierten Fräswerkzeuge nachgearbeitet werden. Das Nacharbeiten der Schweißseiten mit dem gleichen Fräswerkzeug ist effizienter und kann immer dann ausgeführt werden, wenn ein Gegenwirken gegen Verschlechterungsmechanismen von Schweißseiten gewünscht ist, welche, wenn es zugelassen würde, dass diese ohne Eingriff fortschreiten, die Qualität der Schweißelektroden und des Schweißpunkts schnell beeinträchtigen würden und sie schließlich in einen nicht geeigneten Zustand zur fortgesetzten Verwendung bei Punktschweißoperationen versetzen würden. Das Fräswerkzeug kann verwendet werden, um die Schweißseiten so weit wie möglich nachzuarbeiten, bis die Schweißseiten aufgrund des kumulierten Materialverlusts, der auf die Nacharbeitungsoperationen zurückzuführen ist, ein Nacharbeiten nicht weiter unterstützen können.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Fräswerkzeugs ist in 1–9 gezeigt und durch Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Fräswerkzeug 10 umfasst einen Körper 12 und ein Fräselement 14. Der Körper 12 definiert ein Durchgangsloch 16, das sich der Länge nach entlang einer Mittelachse 18 zwischen einer ersten Öffnung 20 an einem ersten Ende 22 des Körpers 12 und einer zweiten Öffnung 24 an einem zweiten Ende 26 des Körpers 12 erstreckt. Jede der Öffnungen 20, 24 liegt rechtwinklig zu der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16, so dass eine Ebene 28 der ersten Öffnung 20 und eine Ebene 30 der zweiten Öffnung 22 zueinander parallel sind und von der Mittelachse 18 unter 90°-Winkeln geschnitten werden, wie in 4 gezeigt ist. Das Fräselement 14 wird von dem Körper 12 innerhalb des Durchgangslochs 16 starr festgehalten. Das Fräselement 14 bildet eine erste Fräsaufnahme 32 und eine zweite Fräsaufnahme 34 aus. Die erste Fräsaufnahme 32 ist durch die erste Öffnung 20 des Körpers 12 hindurch zugänglich und die zweite Fräsaufnahme 34 ist durch die zweite Öffnung 24 des Körpers 12 hindurch zugänglich.
Der Körper 12 und das Fräselement 14 sind aus einem harten Material konstruiert, das in der Lage ist, Nacharbeitsoperationen an Schweißelektroden auszuhalten. Beispielsweise kann sowohl der Körper 12 als auch das Fräselement 14 aus einem Werkzeugstahl ausgebildet sein, etwa einem S7- oder M2-Werkzeugstahl. Außerdem kann das Fräselement 14 von dem Körper 12 auf eine Vielzahl von Weisen starr festgehalten werden, welche verhindern, dass diese zwei Abschnitte des Werkzeugs 10 sich relativ zueinander bewegen, wenn das Werkzeug 10 in Betrieb ist. In einer Ausführungsform können der Körper 12 und das Fräselement 14 diskrete Einzelstücke sein, die zusammengesetzt werden und aneinander befestigt werden, um das Fräswerkzeug 10 herzustellen. Dies kann auf eine Anzahl von Weisen erreicht werden, welche ein mechanisches Verriegeln, ein Fusionsschweißen, Hartlöten, Löten, Klebeverbinden oder eine Kombination beliebiger dieser Techniken umfassen. In einer anderen Ausführungsform sind der Körper 12 und das Fräselement 14 einstückig ausgebildet, z. B. aus einem einzigen massiven Stück aus Werkzeugstahl maschinell hergestellt, um ein einziges einstückiges Stück in dem Sinn zu bilden, dass der Körper 12 und das Fräselement 14 zuvor nicht als diskrete Gegenstände existiert haben.
Der Körper 12 enthält eine kreisringförmige Wand 36, die sich zwischen den axial beabstandeten ersten und zweiten Enden 22, 26 des Körpers 12 erstreckt. Die kreisringförmige Rand 36 weist eine Innenoberfläche 38 und eine Außenoberfläche 40 auf. Die Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 definiert das Durchgangsloch 16, welches durch den Körper 12 einschließlich der ersten und zweiten Öffnung 20, 24 hindurch verläuft. Die Innenoberfläche 38 weist eine Basisoberfläche 42 und eine oder mehrere abgesenkte Oberflächen 44 auf, die in die kreisringförmige Wand 36 hinein abgesenkt sind, um einen oder mehrere Haltekanäle 46 zu skizzieren. Der eine oder die mehreren Haltekanäle 46 dienen zum Festhalten des Fräselements 14 innerhalb des Durchgangslochs 16 in dem Fall, dass der Körper 12 und das Fräselement 14 nicht einstückig ausgebildet sind. Und die Haltekanäle 46 können, wie hier in 3 gezeigt ist, eine Vielzahl axialer Haltekanäle 46a enthalten, die sich axial von dem ersten Ende 22 des Körpers 12 zu dem zweiten Ende 26 erstrecken und in Umfangsrichtung um die Innenoberfläche 38 herum beabstandet sind, und sie können ferner einen umlaufenden Haltekanal 46b enthalten, der sich in Umfangsrichtung um die Innenoberfläche 38 herum erstreckt und jeden der axialen Haltekanäle 46a schneidet.
Die Außenoberfläche 40 der kreisringförmigen Wand 36 enthält eine integrierte Haltemutter 48 und einen integrierten radialen Flansch 50. Die integrierte Haltemutter 48 steht aus einem Mittelteil der kreisringförmigen Wand 36 zwischen dem ersten und zweiten Ende 22, 26 des Körpers 12 hervor und weist eine Vielzahl ebener Oberflächen 52 auf, die sich an umlaufend voneinander beabstandeten axialen Kanten 54 schneiden (2). In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die integrierte Haltemutter 48 sechs ebene Oberflächen 52 mit gleicher Größe, die sechseckig um die Außenoberfläche 40 der kreisringförmigen Wand 36 herum angeordnet sind. Der integrierte radiale Flansch 50 grenzt an ein axiales Ende der integrierten Haltemutter 48 in der Nähe entweder des ersten oder des zweiten Endes 22, 26 des Körpers 12 an und stützt diese. Hier ist der integrierte radiale Flansch 50 in 1–9 nahe bei dem ersten Ende 22 angeordnet, obwohl er, falls gewünscht, genauso leicht in der Nähe des zweiten Endes 26 angeordnet werden könnte. Der integrierte radiale Flansch 50 erstreckt sich radial nach außen über die ebenen Oberflächen 52 der integrierten Haltemutter 48 hinaus, um eine halbkreisförmige Lageroberfläche 56 bereitzustellen, die quer zu jeder der ebenen Oberflächen 52 vorsteht, wie in 2 und 6 am besten gezeigt ist. Die Kombination aus der integrierten Haltemutter 48 und dem integrierten radialen Flansch 50 ermöglicht, dass das Fräswerkzeug 10 in einer drehbaren Fräswerkzeughalterung aufgenommen und gekuppelt wird, etwa in einem Einspannfutter.
Das Fräselement 14 enthält eine oder mehrere Fräsfurchen 58, welche die erste und zweite Fräsaufnahme 32, 34 bilden. Die eine oder die mehreren Fräsfurchen 58 sind konstruiert, um Schweißseiten nachzuarbeiten, die in die erste und zweite Fräsaufnahme 32, 34 aufgenommen werden, und um asymmetrische Geometrien an diesen Schweißseiten durch eine Abscheraktion wiederherzustellen, die sich ergibt, wenn das Fräswerkzeug 10 um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 herumgedreht wird. Jede der Fräsfurchen 58 enthält eine Klinge 60, die an der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 durch ein längliches Fußstück 62 abgestützt wird, welches die gesamte axiale Dimension der kreisringförmigen Wand 36 überspannt. Als Teil des Fräselements 14 können eine bis vier Fräsfurchen 58 vorhanden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie hier in 1–6 gezeigt ist, enthalten die eine oder die mehreren Fräsfurchen 58 eine erste Fräsfurche 58a, eine zweite Fräsfurche 58b, eine dritte Fräsfurche 58c und eine vierte Fräsfurche 58d. Die Klingen 60 und die länglichen Fußstücke 62 der vier Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d sind in 1–6 folglich durch Bezugszeichen 60a, 60b, 60c, 60d, bzw. 62a, 62b, 62c, 62d bezeichnet.
In der gezeigten Ausführungsform, ist jedes der länglichen Fußstücke 62a, 62b, 62c, 62d axial in einen der axialen Haltekanäle 46a der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 eingeführt und wird durch Reibung aufgrund der genauen komplementären Form der Haltekanäle 46a und der länglichen Fußstücke 62 fest an Ort und Stelle gehalten, wie in 3 am besten dargestellt ist. Um darüber hinaus die Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d weiter an Ort und Stelle zu befestigen und um speziell eine ungewollte axiale Bewegung der Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d innerhalb des Durchgangslochs 16 zu verhindern, kann ein radialer Federring 64, radial nach außen vorgespannt ist, in dem umlaufenden Haltekanal 46b aufgenommen sein und sich durch eine Querrille 66 hindurch erstrecken, die in einem rückseitigen Ende jedes der länglichen Fußstücke 62a, 62b, 62c, 62d definiert ist. Zusätzlich zu oder anstelle von den axial einführbaren länglichen Fußstücken 62a, 62b, 62c, 62d und dem radialen Federring 64 können andere Mechanismen zum starren Halten der Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d an der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 innerhalb des Durchgangslochs 16 verwendet werden. Zur Sicherheit können in einer anderen Ausführungsform, wie zuvor angezeigt wurde, die länglichen Fußstücke 62a, 62b, 62c, 62d der Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d mit der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 einstückig ausgebildet sein, so dass der Körper 12 und das Fräselement 14 ein einziges Stück aus einem Teil bilden.
Die Klingen 60a, 60b, 60c, 60d der Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d stehen von der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 nach innen vor und sind zentral innerhalb des Durchgangslochs 16 verbunden. Die Klingen 60a, 60b, 60c, 60d sind in Umfangsrichtung voneinander in regelmäßigen Intervallen um die Mittelachse 18 herum derart beabstandet, dass jede Klinge 60 zu jeder ihrer zwei in Umfangsrichtung benachbarten Klingen 60 quer orientiert ist. Jede der Klingen 60a, 60b, 60c, 60d enthält axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen 68, 70. Speziell enthält in dieser Ausführungsform die Klinge 60a der ersten Fräsfurche 58a eine erste Abscherfläche 68a nahe bei dem ersten Ende 22 des Körpers 12 und eine zweite Abscherfläche 70a nahe bei dem zweiten Ende 26 des Körpers 12. Die Klingen 60b, 60c, 60d der anderen Fräsfurchen 58b, 58c, 58d enthalten analog angeordnete erste und zweite Abscherflächen 68b, 70b, 68c, 70c, 68d, 70d relativ zu den ersten und zweiten Enden 22, 26 des Körpers 12. Folglich werden in dieser Ausführungsform die von den Fräsfurchen 58 gebildeten ersten und zweiten Fräsaufnahmen 32, 34 gemeinsam durch die ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d bzw. die zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d definiert.
Die ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d sind profiliert, um eine Elektrodenschweißseite einer ersten Geometrie zu fräsen und wiederherzustellen, und die zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d sind profiliert, um eine Elektrodenschweißseite einer zweiten Geometrie, die sich von der ersten Geometrie unterscheidet, zu fräsen und wiederherzustellen. Die unterschiedlichen Profile der ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d und der zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d ermöglichen, dass das Fräswerkzeug 10 die erste Schweißseitengeometrie an einer Schweißelektrode wiederherstellt, die in die erste Fräsaufnahme 32 aufgenommen wurde, und gleichzeitig, dass die zweite Schweißseitengeometrie für eine weitere Schweißelektrode, die in die zweite Fräsaufnahme 34 aufgenommen wurde, wiederherstellt, während das Werkzeug 10 um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 herum gedreht wird. Auf diese Weise ist das Fräswerkzeug 10 in der Lage, zwei Schweißelektroden mit asymmetrischen Schweißseitengeometrien nachzuarbeiten, was eine nützliche Nacharbeitungspraxis ist, wenn ein Widerstandspunktschweißen mit erheblich unterschiedlichen Schweißelektroden durchgeführt wird, beispielsweise etwa, wenn der Werkstückstapel, der geschweißt wird, ein Werkstück aus Aluminium und ein benachbartes Werkstück aus Stahl enthält.
Die ersten und zweiten Schweißseitengeometrien, die von den ersten Abscherflächen 68 bzw. den zweiten Abscherflächen 70 gefräst werden, sind für ein Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels entworfen, der benachbarte und überlappende Werkstücke aus Stahl und Aluminium enthält. Der Entwurf der Schweißseitengeometrien beruht zu einem großen Teil auf den materialtechnisch unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Werkstücks aus Stahl und des Werkstücks aus Aluminium, die miteinander punktverschweißt werden. Im speziellen ist die erste Schweißseitengeometrie, die auf der stahlseitigen Schweißelektrode eingesetzt wird, entworfen, um einen Strom innerhalb des Werkstücks aus Stahl (relativ zu dem Werkstück aus Aluminium) zu konzentrieren und um außerdem eine bestimmte Verformung des Werkstücks aus Stahl während eines elektrischen Stromflusses zu verursachen. Dies nutzt vorteilhaft die geringe Leitfähigkeit – sowohl thermisch als auch elektrisch – des Werkstücks aus Stahl sowie dessen erhöhten Schmelzpunkt relativ zu dem Werkstück aus Aluminium. In einer etwas anderen Weise ist die zweite Schweißseitengeometrie, die an der aluminiumseitigen Elektrode verwendet wird, entworfen, um die hitzebeständigen Oxidschichten auf dem Werkstück aus Aluminium aufzubrechen und um das Schmelzbad mit Aluminiumschmelze zu enthalten, das innerhalb des Werkstücks aus Aluminium anwächst. Sowohl die Größe als auch die Gestalt der zweiten Schweißseitengeometrie weisen eine Auswirkung auf den Inhalt des Schmelzbads mit Aluminiumschmelze beim Anwachsen auf.
Mit Bezug nun auf 1, 5 und 7 enthält mindestens eine der ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d einen unteren Endabschnitt 72 und einen oberen Endabschnitt 74. Der untere Endabschnitt 72 erstreckt sich mindestens bis zu der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 und weist eine Vorderkante 76 und eine Hinterkante 78 auf. Die Vorderkante 76 ist von einer distalen Spitze 80 aus nach oben hin profiliert und ist konturiert, um zumindest die erste Schweißseitengeometrie und einen beliebigen umgebenden Übergangsansatz in eine Schweißelektrode zu fräsen. Nach einer Wiederherstellung weist die Schweißseite mit der ersten Geometrie einen spezifizierten Durchmesser und zusätzlich eine spezifizierte ebene oder gewölbte Gestalt auf. Die Hinterkante 78 des unteren Endabschnitts 72 ist wie die Vorderkante 76 nach oben hin profiliert, aber unter die Vorderkante 76 versetzt, so dass die Abscherfläche 68 innerhalb des unteren Endabschnitts 72 von der Vorderkante 76 zu der Hinterkante 78 unter einem positiven Freiwinkel geneigt ist, der in einem Bereich von 3° bis 8° liegt. Der positive Freiwinkel ist in 7 allgemein dargestellt.
Der obere Endabschnitt 74 der ersten Abscherfläche 68 weist eine konvexe Gestalt auf und erstreckt sich von dem unteren Endabschnitt 72 zu dem länglichen Fußstück 62 der Fräsfurche 58. Der obere Endabschnitt 74 weist eine Vorderkante 82 und eine Hinterkante 84 auf. Diese zwei Kanten 82, 84 können um einen positiven Freiwinkel wie der untere Endabschnitt 72 versetzt sein, müssen es aber nicht unbedingt, da der obere Endabschnitt 74 nicht unbedingt am Fräsen der ersten Schweißseitengeometrie beteiligt ist. Stattdessen dient der obere Endabschnitt 74 während einer Drehung des Fräswerkzeugs 10 um die Achse 18 des Durchgangslochs 16 herum zum Zentrieren und Führen der Schweißelektrode hinab zu dem unteren Endabschnitt 72 hin. Wenn eine Schweißelektrode in die erste Fräsaufnahme 32 aufgenommen wird und das Fräswerkzeug 10 gedreht wird, um die erste Schweißseitengeometrie wiederherzustellen, kommt der obere Endabschnitt 74 der Abscherfläche 68 in der Tat typischerweise nicht in Kontakt mit den Nachbarregionen der Schweißelektrode, die sich außerhalb der Schweißseite und des Übergangsansatzes befinden, und fräst diese daher nicht.
Hier enthalten in der Ausführungsform von 1, 5 und 7 zwei der aufeinander ausgerichteten ersten Abscherflächen 68a, 68c den gerade beschriebenen unteren Endabschnitt 72, während die beiden anderen aufeinander ausgerichteten ersten Abscherflächen 68b, 68d eine Variation des unteren Endabschnitts 72 enthalten, bei welcher der einzige signifikante Unterschied darin besteht, dass die distale Spitze 80 sich nicht über die ganze Strecke bis zu der Achse 18 des Durchgangslochs 16 hin erstreckt. Jede der vier Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d enthält außerdem den vorstehend beschriebenen oberen Endabschnitt 74 zum Führen und Zentrieren der Schweißelektrode. Alle vier ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d sind daher profiliert, um am Fräsen einer Schweißseite teilzunehmen, um die erste Geometrie wiederherzustellen, während sie außerdem dazu beitragen, die Schweißseite der Schweißelektrode auszurichten und sie in die korrekte Position innerhalb der ersten Fräsaufnahme 32 zu führen. In dieser Ausführungsform werden die vier Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d gemeinsam verwendet, um das Wiederherstellen der ersten Geometrie leichter und weniger zeitaufwendig zu gestalten.
Eine Schweißelektrode 200 (die auch als die ”erste Schweißelektrode 200” bezeichnet wird), welche die erste Schweißseitengeometrie enthält und innerhalb der ersten Fräsaufnahme 32 durch die ersten Abscherflächen 68 der einen oder der mehreren Fräsfurchen 58 nachgearbeitet werden kann, ist in 10 gezeigt. Die erste Schweißelektrode 200 enthält einen Elektrodenkörper 202 und eine Schweißseite 204. Der Elektrodenkörper 202 weist vorzugsweise eine zylindrische Gestalt auf und enthält ein Vorderende 206 mit einem Umfang 2060. Ein Durchmesser 2062 des Körpers 202 an seinem Vorderendenumfang 2060 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 12 mm bis 22 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 16 mm bis 20 mm. Die Schweißseite 204 ist an dem Vorderende 206 des Körpers 202 angeordnet und weist einen Umfang 2040 auf, der mit dem Umfang 2060 des Vorderendes 206 des Körpers 202 zusammenfällt (eine ”Vollseitenelektrode”) oder durch einen Übergangsansatz 208 mit einer kegelstumpfförmigen oder abgeschnittenen sphärischen Gestalt zu dem Umfang 2060 des Vorderendes 206 um eine Distanz zwischen 2 mm und 10 mm nach oben verschoben ist. Wenn der Übergangsansatz 208 kegelstumpfförmig ist, liegt der Trunkierungswinkel vorzugsweise zwischen 15° und 40° von einer horizontalen Ebene des Schweißseitenumfangs 2040 aus. Wenn der Übergangsansatz 208 sphärisch ist, liegt der Krümmungsradius des Übergangsansatzes 208 vorzugsweise zwischen 6 mm und 20 mm oder enger gefasst zwischen 8 mm und 12 mm.
Die Schweißseite 204 weist vorzugsweise einen an ihrem Umfang 2040 gemessenen Durchmesser 2042 auf, der in dem Bereich von 3 mm bis 16 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 4 mm bis 8 mm liegt. Im Hinblick auf ihre Gestalt enthält die Schweißseite 204 eine Schweißseiten-Basisoberfläche 210, die eben oder gewölbt sein kann. Wenn die Schweißseiten-Basisoberfläche 210 gewölbt ist, steigt sie von dem Umfang 2040 der Schweißseite 204 nach oben und nach innen an, um eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt zu erreichen. Beispielsweise kann die Schweißseiten-Basisoberfläche 210 in einer speziellen Ausführungsform sphärisch dadurch gewölbt sein, dass sie ein sphärisches Profil mit einem Krümmungsradius aufweist, der vorzugsweise in dem Bereich von 8 mm bis 400 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 25 mm bis 100 mm liegt. Die Geometrie der Schweißseite 204 – unabhängig davon, ob sie eine ebene oder gewölbte Gestalt mit ihrem vorgeschriebenen Durchmesser 2042 aufweist – kann gefräst und wiederhergestellt werden, indem die verschlechterte Schweißseite 204 in die erste Fräsaufnahme 32 des Fräswerkzeugs 10 aufgenommen wird und dann das Werkzeug 10 um eine Achse 212 der Schweißseite 204 herum gedreht wird. Auf diese Weise scheren die ersten Abscherflächen 68 der einen oder der mehreren Fräsfurchen 58 Schweißseitenmaterial ab, um neues Schweißseitenmaterial freizulegen und die erste Schweißseitengeometrie wieder herzustellen.
Die erste Schweißelektrode 200 kann aus einem beliebigen elektrisch und thermisch leitfähigen Material aufgebaut sein, das für Punktschweißanwendungen geeignet ist und das beim Schweißen eine Verschlechterung erfahren kann. Beispielsweise kann die erste Schweißelektrode 200 aus einer Kupferlegierung aufgebaut sein, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 80% IACS oder besonders bevorzugt mindestens 90% IACS, und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK oder besonders bevorzugt mindestens 350 W/mK aufweist. Ein spezielles Beispiel für eine Kupferlegierung, die für die erste Schweißelektrode 200 verwendet werden kann, ist eine Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr-Legierung), die etwa 0,10 bis etwa 0,20 Massenanteil Zirkon und ansonsten Kupfer enthält. Kupferlegierungen, welche diese Komponentenzusammensetzung erfüllen und als C15000 bezeichnet werden, sind bevorzugt. Andere Kupferlegierungszusammensetzungen sowie andere Metallzusammensetzungen, die hier nicht explizit erwähnt werden, welche geeignete mechanische Eigenschaften sowie Eigenschaften der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit besitzen, können ebenfalls verwendet werden, welche beispielsweise eine Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr-Legierung) C18200, eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr-Legierung) C18150 oder einem hitzebeständigen Metallverbund, etwa eine Wolfram-Kupfer-Metallverbund umfassen.
Mit Bezug nun auf 2, 6, 8 und 9 enthält mindestens eine der zweiten Abscherflächen 70 einen unteren Endabschnitt 86 und einen oberen Endabschnitt 88 ähnlich wie die ersten Abscherflächen 68. Der untere Endabschnitt 86 erstreckt sich mindestens bis zu der Mittelachse des Durchgangslochs 16 und weist eine Vorderkante 90 und eine Hinterkante 92 auf. Die Vorderkante 90 ist von einer distalen Spitze 94 aus nach oben hin profiliert und ist konturiert, um zumindest die zweite Schweißseitengeometrie und einen beliebigen umgebenden Übergangsansatz in eine Schweißelektrode hinein zu fräsen. Nach der Wiederherstellung weist die Schweißseite mit der zweiten Geometrie einen spezifizierten Durchmesser und zusätzlich eine spezifizierte gewölbte Gestalt auf, die eine Vielzahl aufrecht stehender ringförmiger Grate enthält. Die Hinterkante 92 des unteren Endabschnitts 86 ist wie die Vorderkante 90 nach oben hin profiliert, ist aber unter die Vorderkante 90 derart versetzt, dass die Abscherfläche 70 innerhalb des unteren Endabschnitts 86 von der Vorderkante 90 zu der Hinterkante 92 unter einem positiven Freiwinkel geneigt ist, der von 3° bis 8° reicht. Der positive Freiwinkel ist in 8 dargestellt.
Wie in 9 am besten gezeigt ist, definiert die zweite Abscherfläche 70 innerhalb des unteren Endabschnitts 86 eine Vielzahl von Eindringrillen 96, die sich von der Vorderkante 90 aus über zumindest einen Teil der Strecke bis zu der Hinterkante 92 erstrecken, so dass während einer Drehung des Fräswerkzeugs 10 aufrecht stehende Grate in die Schweißseite als Teil der zweiten Schweißseitengeometrie gefräst werden. Die Eindringrillen 96, welche über die zweite Abscherfläche 70 gerade oder gekrümmt verlaufen können, umfassen vorzugsweise zwischen zwei und zehn Rillen, die sich die gesamte Strecke über die Abscherfläche 70 hinweg von der Vorderkante 90 zu der Hinterkante 92 erstrecken. Jede der Eindringrillen 96 weist eine Höhe auf (gemessen als maximale Eindringdistanz von der Abscherfläche 70 an der Vorderkante 90 aus), die in einem Bereich von 20 μm bis 500 μm oder enger gefasst von 50 μm bis 300 μm liegt. Zudem sind die Eindringrillen 96 entlang der Abscherfläche 70 voneinander beabstandet (gemessen als die Distanz zwischen den Mittelpunkten von benachbarten Rillen 96 entlang der Abscherfläche 70 an der Vorderkante 90), wobei der Abstand von 50 μm bis 1800 μm oder enger gefasst von 80 μm bis 1500 μm reicht. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Unterseite jeder der Eindringrillen 96 einen konstanten Krümmungsradius auf, um eine im Querschnitt stumpfe oder abgerundete Gestalt zu schaffen, obwohl andere alternative Querschnittsgestalten, die abgeschnitten, halbkreisförmig und dreieckig umfassen, natürlich möglich sind.
Die Eindringrillen 96 können sich von der Vorderkante 90 über die Abscherfläche 70 hinweg unter einem positiven Freiwinkel erstrecken, der gleich dem Freiwinkel der zweiten Abscherfläche 70 ist oder sich davon unterscheidet. Insbesondere kann der positive Freiwinkel der Eindringrillen 96 von der Vorderkante 90 zu der Hinterkante 92 in einem Bereich von 1,5° bis 20° oder enger gefasst von 5° bis 15° liegen. Wenn sich die Eindringrillen 96 gerade über die zweite Abscherfläche 70 hinweg erstrecken, wie in 2 und 6 gezeigt ist, ist der Freiwinkel der Rillen 96 vorzugsweise größer als 8°, um genügend Freiraum zwischen den Rilleninnenwänden und den aufrecht stehenden Graten zu ermöglichen, die während der Drehung des Fräswerkzeugs 10 gefräst und wiederhergestellt werden. Wenn die Eindringrillen 96 jedoch über die zweite Abscherfläche 70 hinweg gekrümmt sind, damit sie zu der Krümmung der Grate passen, die gefräst und wiederhergestellt werden, kann der positive Freiwinkel gleich oder sogar kleiner (z. B. bis hinab zu 1,5°) als der Freiwinkel der zweiten Abscherfläche 70 sein, da die Krümmung der Rillen 96 naturgegeben eine Interferenz zwischen den Rilleninnenwänden und den Graten begrenzt, die gefräst und wiederhergestellt werden.
Der obere Endabschnitt 88 der zweiten Abscherfläche 70 weist eine konvexe Gestalt auf und erstreckt sich von dem unteren Endabschnitt 86 bis zu dem länglichen Fußstück 62 der Fräsfurche 58. Der obere Endabschnitt 88 weist eine Vorderkante 98 und eine Hinterkante 100 auf. Diese zwei Kanten 98, 100 können um einen positiven Freiwinkel wie in dem unteren Endabschnitt 86 versetzt sein, müssen dies aber nicht unbedingt, da der obere Endabschnitt 88 nicht unbedingt am Fräsen der zweiten Schweißseitengeometrie beteiligt ist. Stattdessen dient der obere Endabschnitt 88 wie zuvor während einer Drehung des Fräswerkzeugs 10 um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 herum zum Zentrieren und Führen der Schweißelektrode nach unten zu dem unteren Endabschnitt 86 hin. Wenn eine Schweißelektrode in die zweite Fräsaufnahme 34 aufgenommen wird und das Fräswerkzeug 10 gedreht wird, um die zweite Schweißseitengeometrie wiederherzustellen, kommt der obere Endabschnitt 88 der Abscherfläche 70 in der Tat typischerweise nicht in Kontakt mit den benachbarten Regionen der Schweißelektrode, die außerhalb der Schweißseite und des Übergangsansatzes liegen, und fräst diese daher nicht.
In der Ausführungsform von 2, 6, 8 und 9 umfassen zwei der aufeinander ausgerichteten zweiten Abscherflächen 70b, 70d den gerade beschriebenen unteren Endabschnitt 86, während die beiden anderen aufeinander ausgerichteten zweiten Abscherflächen 70a, 70c eine Variation des unteren Endabschnitts 86 enthalten, bei welcher Eindringrillen 96 nicht vorhanden sind und sich die distale Spitze 94 nicht über die gesamte Strecke bis zu der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 erstreckt. Jede der zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d enthält außerdem den oberen Endabschnitt 88, wie er vorstehend zum Führen und Zentrieren der Elektrode beschrieben ist. Alle vier zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d sind daher profiliert, um das Ausrichten und Führen der Schweißseite der Schweißelektrode in die korrekte Position innerhalb der zweiten Fräsaufnahme 34 zu unterstützen und um ferner die Übergangsansatzregion der Elektrode zu fräsen und wiederherzustellen. Aber nur die zwei zweiten Abscherflächen 70b, 70d, welche die Eindringrillen 96 enthalten, nehmen tatsächlich am Fräsen einer Schweißseite teil, um ringförmige Grate wiederherzustellen, die Teil der zweiten Schweißseitengeometrie sind. Darüber hinaus sind wie gezeigt die zweiten Abscherflächen 70b, 70d, die distale Spitzen 94 aufweisen, welche sich bis zu der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 hin erstrecken, nicht auf den gleichen Klingen 60 vorhanden wie die ersten Abscherflächen 68a, 68c, die analog distale Spitzen 80 aufweisen, die sich bis zu der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 hin erstrecken. Die zwei Sätze aus ersten und zweiten Abscherflächen 68a, 68c, 70b, 70d sind stattdessen an dem Fräselement 14 quer zueinander orientiert.
Eine Schweißelektrode 220 (auch als die ”zweite Schweißelektrode 220” bezeichnet), welche die zweite Schweißseitengeometrie enthält und innerhalb der zweiten Fräsaufnahme 34 durch die zweiten Abfräsflächen 70 der einen oder mehreren Fräsfurchen 58 nachgearbeitet werden kann, ist in 11 gezeigt. Die zweite Elektrode 220 enthält einen Elektrodenkörper 222 und eine Schweißseite 224. Der Elektrodenkörper 222 weist vorzugsweise eine zylindrische Gestalt auf und enthält ein Vorderende 226 mit einem Umfang 2260. Ein Durchmesser 2262 des Körpers 222 der an seinem Umfang 2260 am vorderen Ende gemessen wird, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 12 mm bis 22 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 16 mm bis 20 mm. Die Schweißseite 224 ist an dem Vorderende 226 des Körpers 222 angeordnet und weist einen Umfang 2240 auf, der mit dem Umfang 2260 des Vorderendes 226 des Körpers 222 übereinstimmt (eine ”Vollseitenelektrode”) oder von dem Umfang 2260 des Vorderendes 226 aus durch einen Übergangsansatz 228 mit einer kegelstumpfförmigen oder abgeschnittenen sphärischen Gestalt um eine Distanz zwischen 2 mm und 10 mm nach oben hin versetzt ist. Wenn der Übergangsansatz 228 kegelstumpfförmig ist, liegt der Trunkierungswinkel vorzugsweise zwischen 30° und 60° von einer horizontalen Ebene des Schweißseitenumfangs 2040 aus. Wenn der Übergangsansatz 228 sphärisch ist, liegt der Krümmungsradius des Übergangsansatzes 228 vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm.
Die Schweißseite 224 weist vorzugsweise einen Durchmesser 2242 auf, welcher an ihrem Umfang 2240 gemessen wird und in dem Bereich von 8 mm bis 20 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 10 mm bis 15 mm liegt. Im Hinblick auf ihre Gestalt enthält die Schweißseite 224 eine Schweißseiten-Basisoberfläche 230, die gewölbt ist. Folglich steigt die Schweißseiten-Basisoberfläche 230 von dem Umfang 2240 der Schweißseite 224 aus nach oben und nach innen hin an, um eine nach oben hin gekrümmte konvexe Gestalt zu erreichen. Beispielsweise kann die Schweißseiten-Basisoberfläche 230 in einer speziellen Ausführungsform insofern sphärisch gewölbt sein, als sie ein sphärisches Profil mit einem Krümmungsradius aufweist, der vorzugsweise in dem Bereich von 15 mm bis 300 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 20 mm bis 50 mm liegt. Darüber hinaus enthält die Schweißseite 224 eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232, die von der Schweißseiten-Basisoberfläche 230 aus nach außen vorstehen. Diese kreisförmigen Grate 232 ermöglichen, dass die zweite Schweißelektrode 220 einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt mit einer Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium herstellt, indem sie die mechanisch festen und elektrisch isolierenden hitzebeständigen Oxidschichten belastet und durchbricht, welche die Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium typischerweise beschichten.
Die Reihen von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232 sind vorzugsweise um eine Achse 234 der Schweißseite 224 herum zentriert und umgeben diese. Die Schweißseiten-Basisoberfläche 230, von welcher aus die Grate 232 vorstehen, kann 50% oder mehr und vorzugsweise zwischen 50% und 80% des Oberflächenbereichs der Schweißseite 224 umfassen. Der verbleibende Oberflächenbereich ist den Reihen von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232 zugeordnet, welche vorzugsweise zwischen zwei und zehn Grate 232 oder enger gefasst zwischen drei und fünf Grate 232 umfassen. Die mehreren aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 sind auf der Schweißseiten-Basisoberfläche 230 voneinander radial derart beabstandet, dass die aufrecht stehenden Grate 232 einen größeren Durchmesser aufweisen, wenn man sich von dem innersten aufrecht stehenden Grat 232a (12), welcher die Achse 234 der Schweißseite 224 unmittelbar umgibt, zu dem äußersten aufrecht stehenden Grat 232b (12) bewegt, der dem Umfang 2240 der Schweißseite 224 am nächsten liegt und folglich von der Achse 234 der Schweißseite 224 am weitesten entfernt ist.
Die Größe und Gestalt der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 unterliegen einer bestimmten Variabilität, ohne dass sie ihre Fähigkeit zum Nacharbeiten verlieren. In einer Ausführungsform, die am besten in 11 gezeigt ist, weist jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 einen geschlossenen Umfang auf, was bedeutet, dass der Umfang des Grats 232 kontinuierlich gekrümmt ist und daher nicht durch signifikante Trennbereiche unterbrochen ist, und er ist zusätzlich durch ein Querschnittsprofil definiert, das keine scharfen Ecken aufweist, während er eine gekrümmte (wie gezeigt) oder eine ebene obere Oberfläche aufweist. Darüber hinaus weist, wie in 12 gezeigt ist, jeder der kreisförmigen Grate 232 außerdem eine Grathöhe 232h auf – die am Mittelpunkt des Grats 232 erfasst wird – die sich bei Betrachtung im Querschnitt von der Schweißseiten-Basisoberfläche 230 aus nach oben erstreckt. Die Grathöhe 232h jedes Grats 232 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 μm bis 500 μm oder enger gefasst von 50 μm bis 300 μm. Und der Zwischenraum zwischen den Graten 232 auf der Schweißseiten-Basisoberfläche 230, der durch die Distanz zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Graten 232 gemessen wird, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 μm bis 1800 μm oder enger gefasst von 80 μm bis 1500 μm. Jeder der kreisförmigen Grate 232 ist im Querschnitt vorzugsweise halbkreisförmig, trunkiert halbkreisförmig oder dreieckig.
Die Geometrie der Schweißseite 224 – im Speziellen die gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche 230 mit den aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232 und dem vorgeschriebenen Durchmesser 2242 der Schweißseite 224 – kann durch Aufnehmen der verschlechterten Schweißseite 224 in die zweite Fräsaufnahme 34 des Fräswerkzeugs 10 und dann durch Drehen des Werkzeugs 10 um die Achse 234 der Schweißseite 224 herum gefräst und wiederhergestellt werden. Auf diese Weise werden die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 der Schweißseite 224 in die Eindringrillen 96, die sich zumindest über einen Teil der Strecke der zweiten Abscherflächen 70 hinweg der einen oder mehreren Fräsfurchen 58 erstrecken, eingerastet, und die Drehung des Fräswerkzeugs 10 schert Schweißseitenmaterial ab, um neues Schweißseitenmaterial freizulegen und die zweite Schweißseitengeometrie wiederherzustellen. Die ersten und zweiten Schweißseitengeometrien der ersten und zweiten Schweißelektroden 200, 220 können durch Drehen des Fräswerkzeugs 10 gleichzeitig wiederhergestellt werden, während sowohl die erste Schweißseite 204 als auch die zweite Schweißseite 224 in die erste bzw. zweite Fräsaufnahme 32, 34 aufgenommen sind.
Wie die erste Punktschweißelektrode 200 kann auch die zweite Schweißelektrode 220 aus einem beliebigen elektrisch und thermisch leitfähigen Material aufgebaut sein, das für Punktschweißanwendungen geeignet ist und das beim Schweißen eine Verschlechterung erleiden kann. Beispielsweise kann die zweite Schweißelektrode 220 aus einer Kupferlegierung aufgebaut sein, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 80% IACS oder besonders bevorzugt von mindestens 90% IACS und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK oder besonders bevorzugt von mindestens 350 W/mK aufweist. Wie zuvor ist ein spezielles Beispiel für eine Kupferlegierung, die für die zweite Schweißelektrode 220 verwendet werden kann, eine Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr-Legierung), die etwa 0,10 bis etwa 0,20% Massenanteil Zirkon und ansonsten Kupfer enthält. Es sind Kupferlegierungen bevorzugt, die diese Bestandteilzusammensetzung erfüllen und als C15000 bezeichnet werden. Es können außerdem andere Zusammensetzungen von Kupferlegierungen sowie andere Metallzusammensetzungen, die hier nicht explizit aufgeführt sind, verwendet werden, welche geeignete mechanische Eigenschaften sowie Eigenschaften der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit besitzen und die beispielsweise eine Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr-Legierung) C18200, eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr-Legierung) C18150 oder einen hitzebeständigen Metallverbund, etwa einen Wolfram-Kupfer-Metallverbund, umfassen.
Es ist festzustellen, dass andere Fräsfurchenkonstruktionen, die konstruiert sind, um die asymmetrischen ersten und zweiten Schweißseitengeometrien nachzuarbeiten, selbstverständlich möglich sind und als eine Alternative für die Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d – mit ihren entgegengesetzten ersten und zweiten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d, 70a, 70b, 70c, 70d – die in den Figuren gezeigt und vorstehend beschrieben sind, verwendet werden können. Das Fräselement 14 kann beispielsweise nur eine Fräsfurche 58 mit einer ersten Abscherfläche 68 und einer zweiten Abscherfläche 70 enthalten. Die axial voneinander beabstandeten ersten und zweiten Abscherflächen 68, 70 können die vorstehend beschriebenen unteren Endabschnitte 72, 86 enthalten. In einem anderen Beispiel kann das Fräselement 14 zwei entgegengesetzte Fräsfurchen 58 enthalten, von denen jede eine erste Abscherfläche 68 und eine zweite Abscherfläche 70 aufweist. Die ersten Abscherflächen 68 und die zweiten Abscherflächen 70 der entgegengesetzten Fräsfurchen 58 können auf die gleiche Weise aufgebaut sein wie die vorstehend beschriebenen Oberflächen 68a, 68c bzw. Oberflächen 70b, 70d.
Das Fräswerkzeug 10 kann verwendet werden, um nach Bedarf ein Paar Schweißelektroden nachzuarbeiten, die am Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels 300 beteiligt sind, der einander unähnliche Werkstücke enthält, wie in 13–18 gezeigt ist. Der Werkstückstapel 300 weist eine erste Seite 302 und eine zweite Seite 304 auf und enthält mindestens ein Werkstück 306 aus Stahl und ein Werkstück 308 aus Aluminium, die einander überlappen und benachbart zueinander liegen, um eine Stoßschnittstelle 310 herzustellen, die durch einen Schweißort 312 hindurch verläuft. Die erste Seite 302 des Werkstückstapels 300 wird durch eine Oberfläche 314 eines Werkstücks aus Stahl bereitgestellt und die zweite Seite 304 wird durch eine Oberfläche 316 eines Werkstücks aus Aluminium bereitgestellt. Der Werkstückstapel 300 kann daher ein ”2T”-Stapel sein, der nur das benachbarte Paar von Werkstücken 306, 308 aus Stahl und Aluminium enthält, oder er kann ein ”3T”-Stapel sein, der die benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium plus ein zusätzliches Werkstück 318 aus Stahl (Stahl-Stahl-Aluminium, wie in 14 gezeigt ist) oder ein zusätzliches Werkstück 320 aus Aluminium (Stahl-Aluminium-Aluminium, wie in 15 gezeigt ist) enthält, solange die zwei Werkstücke mit der gleichen Grundmetallzusammensetzung nebeneinander angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen kann der Werkstückstapel 300 sogar ein ”4T”-Stapel sein, etwa Stahl-Stahl-Stahl-Aluminium, Stahl-Stahl-Aluminium-Aluminium oder Stahl-Aluminium-Aluminium-Aluminium.
Das Werkstück 306 aus Stahl enthält ein Stahlsubstrat mit einer beliebigen einer großen Vielfalt von Festigkeiten und Graden, das entweder beschichtet oder nicht beschichtet (d. h. blank) ist. Das beschichtete oder nicht beschichtete Stahlsubstrat kann heißgewalzt oder kaltgewalzt sein und kann aus einem Stahl bestehen, etwa einem Weichstahl, einem von Zwischengitteratomen freien Stahl, einem sintergehärteten Stahl, einem niedriglegierten, hochfesten Stahl (HSLA-Stahl), einem Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einem Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einem Martensit-Stahl (MART-Stahl), einem Stahl mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP-Stahl), einem Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und einem Bor-Stahl, etwa wenn das Werkstück 306 aus Stahl einen druckgehärteten Stahl (PHS-Stahl) enthält. Wenn das Stahlsubstrat beschichtet ist, enthält es vorzugsweise eine Oberflächenschicht aus Zink (z. B. feuerverzinkt oder Elektrogalvanisierung) aus Zink-Eisen (galvanisiert), aus einer Zink-Nickel-Legierung, aus Nickel, aus Aluminium oder aus einer Aluminium-Silizium-Legierung. Der Begriff ”Werkstück aus Stahl” umfasst folglich, so wie er hier verwendet wird, eine große Vielfalt von Stahlsubstraten, beschichtet oder nicht beschichtet, mit verschiedenen Graden und Festigkeiten und er umfasst ferner diejenigen, die Behandlungen vor dem Schweißen unterzogen wurden, wie Ausglühen, Abschrecken und/oder Tempern, etwa in der Produktion von druckgehärtetem Stahl. Unter Berücksichtigung der Dicke des Stahlsubstrats und einer beliebigen Oberflächenbeschichtung, die vorhanden sein kann, weist das Werkstück 306 aus Stahl eine Dicke 3060 auf, die im Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm und enger gefasst von 0,6 mm bis 2,5 mm liegt, zumindest am Schweißort 312.
Das Werkstück 308 aus Aluminium enthält ein Aluminiumsubstrat, das entweder beschichtet oder nicht beschichtet (d. h. blank) ist. Das Aluminiumsubstrat kann aus einem nicht legierten Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Masseanteil Aluminium enthält. Einige beachtenswerte Aluminiumlegierungen, welche das beschichtete oder nicht beschichtete Aluminiumsubstrat bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Das Aluminiumsubstrat enthält, wenn es beschichtet ist, vorzugsweise einen Oberflächenschicht aus seinen nativen hitzebeständigen Oxidschichten oder alternativ kann es eine Oberflächenschicht aus Zink, Zinn oder einer Metalloxid-Konversionsschicht enthalten, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht, wie in US 2014/0360986 beschrieben ist. Unter Berücksichtigung der Dicke des Aluminiumsubstrats und einer beliebigen Oberflächenbeschichtung, die vorhanden sein kann, weist das Werkstück 308 aus Aluminium eine Dicke 3080 auf, die im Bereich von 0,3 mm bis etwa 6,0 mm und enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm liegt, zumindest am Schweißort 312.
Das Aluminiumsubstrat des Werkstücks 308 aus Aluminium kann in bearbeiteter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Beispielsweise kann das Aluminiumsubstrat aus einer Blattschicht einer bearbeiteten Aluminiumlegierung einer 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- oder 7xxx-Reihe, einem Extrusionsartikel, einem Schmiedeartikel oder einem anderen bearbeiteten Artikel bestehen. Alternativ kann das Aluminiumsubstrat aus einem Aluminiumlegierungsguss einer 4xx.x-, 5xx.x- oder 7xx.x-Reihe bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, welche das Aluminiumsubstrat bilden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Aluminium-Magnesium-Legierungen AA5182 und AA5754, Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen AA6011 und AA6022, Aluminium-Zink-Legierungen AA7003 und AA7055 und eine Aluminium-Spritzgusslegierung Al-10Si-Mg. Das Aluminiumsubstrat kann falls gewünscht ferner in einer Vielfalt von Härtestufen verwendet werden, die geglüht (O), gehärtet (H) und lösungsgeglüht (T) umfassen. Der Begriff ”Werkstück aus Aluminium” umfasst daher, so wie er hier verwendet wird, nicht legiertes Aluminium und eine große Vielfalt von Aluminiumlegierungssubstraten, beschichtet oder unbeschichtet, in unterschiedlichen zum Punktschweißen geeigneten Formen, welche bearbeitete Blattschichten, Extrusionen, Schmiedevorgänge usw. sowie Gießvorgänge umfassen, und er enthält ferner diejenigen, die Behandlungen vor dem Schweißen unterzogen wurden, etwa Glühen, Härten und Lösungsglühen.
Die Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl und die Oberfläche 316 des Werkstücks aus Aluminium, welche die erste und zweite Seite 302, 304 des Werkstückstapels 300 bereitstellen, können durch die benachbarten und sich überlappenden Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium präsentiert sein. Wenn die zwei Werkstücke 306, 308 beispielsweise zum Punktschweißen in dem Kontext der in 13 gezeigten ”2T”-Ausführungsform gestapelt sind, enthält das Werkstück 306 aus Stahl eine Stoßfläche 322 und eine äußere Außenoberfläche 324, und analog enthält das Werkstück 308 aus Aluminium eine Stoßfläche 326 und eine äußere Außenoberfläche 328. Die Stoßflächen 322, 326 der zwei Werkstücke 306, 308 überlappen und kontaktieren einander, um die Stoßschnittstelle 310 zu bilden, die durch den Schweißort 312 hindurch verläuft. Die äußeren Außenoberflächen 324, 328 der Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium weisen andererseits voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen am Schweißort 312 und bilden die Oberflächen 314, 316 der Werkstücke aus Stahl bzw. Aluminium des Werkstückstapels 300.
Der Begriff ”Stoßschnittstelle 310” wird in der vorliegenden Offenbarung in weitem Sinn verwendet und soll Instanzen mit direktem und indirektem Kontakt zwischen den Stoßflächen 322, 326 der benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium umfassen. Die Stoßflächen 322, 326 stehen im direkten Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinandergrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind. Die Stoßflächen 322, 326 stehen in indirektem Kontakt miteinander, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind – und folglich nicht die Art des physikalischen Aneinandergrenzens an der Schnittstelle erfahren, die man bei direktem Kontakt vorfindet – jedoch befinden sie sich in einer ausreichend engen Nähe zueinander, dass ein Widerstandspunktschweißen immer noch durchgeführt werden kann. Der indirekte Kontakt zwischen den Stoßflächen 322, 326 der Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium ergibt sich typischerweise, wenn eine optionale (nicht gezeigte) dazwischenliegende Materialschicht zwischen den Stoßflächen 322, 326 aufgebracht wird, bevor die Werkstücke 306, 308 beim Ausbilden des Werkstückstapels 300 übereinander gelegt werden.
Eine Zwischenmaterialschicht, die zwischen den Stoßflächen 322, 326 der benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium vorhanden sein kann, ist ein nicht gehärteter, jedoch durch Wärme aushärtbarer Strukturklebstoff. Ein derartiges Zwischenmaterial weist typischerweise eine Dicke von 0,1 mm bis 2,0 mm auf, was ein Punktschweißen durch die Zwischenschicht hindurch ohne große Schwierigkeit ermöglicht. Ein Strukturklebstoff kann zwischen den Stoßflächen 322, 326 der Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium angeordnet werden, so dass der Werkstückstapel 300 nach dem Punktschweißen in einem ELPO-Backofen oder einer anderen Vorrichtung erwärmt werden kann, um den Klebstoff auszuhärten und eine zusätzliche Haftung zwischen den Werkstücken 306, 308 bereitzustellen. Ein spezielles Beispiel für einen geeigneten durch Wärme aushärtbaren Strukturklebstoff ist ein durch Wärme aushärtbares Epoxid, das Füllpartikel enthalten kann, etwa Silika-Partikel, um die Viskosität oder andere mechanische Eigenschaften des Klebstoffs zu modifizieren, wenn er ausgehärtet wird. Eine Vielfalt von durch Wärme aushärtbaren Epoxiden ist kommerziell erhältlich, welche DOW Betamate 1486, Henkel 5089 und Uniseal 2343 umfassen. Selbstverständlich können andere Typen von Materialien die Zwischenmaterialschicht anstelle eines durch Wärme aushärtbaren Strukturklebstoffs bilden.
Selbstverständlich ist der Werkstückstapel 300, wie in 14–15 gezeigt ist, nicht nur auf das Enthalten des Werkstücks 306 aus Stahl und des benachbarten Werkstücks 308 aus Aluminium begrenzt. Der Werkstückstapel 300 kann außerdem das zusätzliche Werkstück 318 aus Stahl oder das zusätzliche Werkstück 320 aus Aluminium enthalten – zusätzlich zu den benachbarten Werkstücken 306, 308 aus Stahl und Aluminiumlegierung – solange das zusätzliche Werkstück benachbart zu demjenigen Werkstück 306, 308 angeordnet ist, das die gleiche Basis-Metallzusammensetzung aufweist; das heißt, dass das zusätzliche Werkstück 318 aus Stahl (falls vorhanden) benachbart zu dem anderen Werkstück 306 aus Stahl angeordnet ist und das zusätzliche Werkstück 320 aus Aluminium (falls vorhanden) benachbart zu dem anderen Werkstück 308 aus Aluminium angeordnet ist. Hinsichtlich der Eigenschaften des zusätzlichen Werkstücks sind die Beschreibungen des Werkstücks 306 aus Stahl und des Werkstücks 308 aus Aluminium, die vorstehend bereitgestellt wurden, auf das zusätzliche Werkstück aus Stahl oder das zusätzliche Werkstück aus Aluminium, welche in dem Werkstückstapel 300 enthalten sein können, anwendbar. Es sei jedoch erwähnt, dass die gleichen allgemeinen Beschreibungen zwar zutreffen, es jedoch keine Notwendigkeit gibt, dass die zwei Werkstücke aus Stahl oder die zwei Werkstücke aus Aluminium eines 3T-Stapels hinsichtlich der Zusammensetzung, der Dicke oder der Form (z. B. bearbeitet oder gegossen) identisch sind.
Wie beispielsweise in 14 gezeigt ist, kann der Werkstückstapel 300 die benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium, die vorstehend beschrieben sind, zusammen mit dem zusätzlichen Werkstück 318 aus Stahl enthalten, welches das Werkstück 306 aus Stahl überlappt und benachbart dazu angeordnet ist. Wenn das zusätzliche Werkstück 318 aus Stahl so positioniert ist, bildet die äußere Außenoberfläche 328 des Werkstücks 308 aus Aluminium wie zuvor die Oberfläche 316 des Werkstücks aus Aluminium, welche die zweite Seite 304 des Werkstückstapels 300 bereitstellt, während das Werkstück 306 aus Stahl, das benachbart zu dem Werkstück 308 aus Aluminium liegt, nun ein Paar entgegengesetzter Stoßflächen 322, 330 enthält. Die Stoßfläche 322 des Werkstücks 306 aus Stahl, das der benachbarten Stoßfläche 326 des Werkstücks 308 aus Aluminium gegenüberliegt und diese kontaktiert (direkt oder indirekt) bildet die Stoßschnittstelle 310 zwischen den zwei Werkstücken 306, 308 wie zuvor beschrieben. Die andere Stoßfläche 330 des Werkstücks 306 aus Stahl liegt einer Stoßfläche 332 des zusätzlichen Werkstücks 318 aus Stahl gegenüber und stellt einen überlappenden Kontakt (direkt oder indirekt) damit her. Daher bildet in dieser speziellen Anordnung von überlappenden Werkstücken 306, 308, 318 eine äußere Außenoberfläche 334 des zusätzlichen Werkstücks 318 aus Stahl nun die Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl, welche die erste Seite 302 des Werkstückstapels 300 bereitstellt.
In einem anderen Beispiel, wie in 15 gezeigt ist, kann der Werkstückstapel 300 die vorstehend beschriebenen benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium zusammen mit dem zusätzlichen Werkstück 320 aus Aluminium enthalten, welches das Werkstück 308 aus Aluminium überlappt und benachbart dazu angeordnet ist. Wenn das zusätzliche Werkstück 320 aus Aluminium so positioniert ist, bildet die äußere Außenoberfläche 324 des Werkstücks 306 aus Stahl die Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl, welche wie zuvor die erste Seite 302 des Werkstückstapels 300 bereitstellt, während das Werkstück 308 aus Aluminium, das benachbart zu dem Werkstück 306 aus Stahl liegt, nun ein Paar entgegengesetzter Stoßflächen 326, 336 enthält. Die Stoßfläche 326 des Werkstücks 308 aus Aluminium, die der benachbarten Stoßfläche 322 des Werkstücks 306 aus Stahl gegenüberliegt und diese kontaktiert (direkt oder indirekt), bildet die Stoßschnittstelle 310 zwischen den zwei Werkstücken 306, 308, wie vorstehend beschrieben ist. Die andere Stoßfläche 336 des Werkstücks 308 aus Aluminium liegt einer Stoßfläche 338 des zusätzlichen Werkstücks 320 aus Aluminium gegenüber und bildet damit einen überlappenden Kontakt (direkt oder indirekt). Folglich bildet in dieser speziellen Anordnung aus überlappten Werkstücken 306, 308, 320 eine äußere Außenoberfläche 340 des zusätzlichen Werkstücks 320 aus Aluminium nun die Oberfläche 316 des Werkstücks aus Aluminium, welche die zweite Seite 304 des Werkstückstapels 310 bereitstellt.
Mit Bezug nun auf 16–17 können die erste Schweißelektrode 200 und die zweite Schweißelektrode 220, die vorstehend beschrieben sind, verwendet werden, um ein Widerstandspunktschweißen des Werkstückstapels 300 auszuführen. Die Schweißseite 204 der ersten Schweißelektrode 200 weist die erste Geometrie (die durch die erste Fräsaufnahme 32 des Fräswerkzeugs 10 nachgearbeitet werden kann) auf, und die zweite Schweißseite 224 der zweiten Schweißelektrode 220 weist die zweite Geometrie (die durch die zweite Fräsaufnahme 34 des Fräswerkzeugs 10 nachgearbeitet werden kann), auf. Die Schweißelektroden 200, 220 werden von einer (nicht gezeigten) Schweißzange eines beliebigen geeigneten Typs getragen, der eine Schweißzange vom C-Typ oder vom X-Typ umfasst, und sie sind mit einer Stromversorgung elektrisch gekoppelt, die zum Liefern von elektrischem Strom – vorzugsweise einem elektrischen Gleichstrom im Bereich von 5 kA bis 50 kA – zwischen den Schweißelektroden 200, 220 und durch den Werkstückstapel 300 hindurch in Übereinstimmung mit einem programmierten Schweißablauf in der Lage ist. Die Schweißzange kann außerdem mit Kühlmittelleitungen und zugehörigen Steuergeräten ausgestattet sein, um ein Kühlmittelfluid wie etwa Wasser während Punktschweißoperationen an jede der Schweißelektroden 200, 220 zu liefern.
Das Verfahren zum Widerstandspunktschweißen beginnt, indem die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 relativ zu dem Werkstückstapel 300 positioniert werden, so dass die erste Schweißseite 204 der Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl gegenüberliegt und die zweite Schweißseite 224 der Oberfläche 316 des Werkstücks aus Aluminium gegenüberliegt, wie in 16 gezeigt ist. Die erste Schweißseite 204 und die zweite Schweißseite 224 werden dann gegen ihre jeweiligen Werkstückoberflächen aus Stahl und Aluminium 314, 316 in aufeinander zu orientierte Ausrichtung mit einer auferlegten Klemmkraft an dem Schweißort 312 gedrückt. Die auferlegte Klemmkraft liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1780 N bis 8896 N (400 lb bis 2000 lb) oder enger gefasst von 2670 N bis 5780 N (600 lb bis 1300 lb). Obwohl nur die Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium, die sich überlappen und benachbart zueinander liegen, wodurch sie die Stoßschnittstelle 310 herstellen, in dieser Figur dargestellt sind, trifft die folgende Erörterung des Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen gleichermaßen auf Instanzen zu, bei denen der Werkstückstapel 300 das zusätzliche Werkstück 318 aus Stahl oder das zusätzliche Werkstück 320 aus Aluminium enthält (14–15), obwohl diese zusätzlichen Werkstücke 318, 320 der Klarheit halber in den Figuren weggelassen wurden.
Sobald die erste Schweißseite 204 und die zweite Schweißseite 224 gegen die Oberflächen 314, 316 der Werkstücke aus Stahl bzw. Aluminium des Werkstückstapels 300 drücken, wird ein elektrischer Strom zwischen den Schweißelektroden 200, 220 mit Hilfe ihrer aufeinander zu orientierten Schweißseiten 204, 224 geleitet. Der zwischen den Schweißelektroden 200, 220 ausgetauschte elektrische Strom fließt durch den Werkstückstapel 300 hindurch und über die Stoßschnittstelle 310 hinweg, die zwischen den benachbarten Werkstücken 306, 308 aus Stahl und Aluminium gebildet ist. Ein Widerstand gegen das Fließen des elektrischen Stroms, welcher vorzugsweise ein elektrischer Gleichstrom mit einem Strompegel ist, der im Bereich von 5 kA bis 50 kA liegt, lässt das Werkstück 308 aus Aluminium schmelzen und erzeugt ein Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks 308 aus Aluminium. Das Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze benetzt die Stoßfläche 322 des Werkstücks 308 aus Stahl und dringt um eine Distanz in das Werkstück 308 aus Aluminium ein, die im Bereich von 20% bis 100% der Dicke 3080 des Werkstücks 308 aus Aluminium am Schweißort 312 liegt.
Nach der Beendigung des elektrischen Stromflusses erstarrt das Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze zu einer Schweißverbindung 352, das die Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium am Schweißort 312 durch Schweißen verbindet, wie in 17 gezeigt ist, ohne die Stoßfläche 310 zwischen den Werkstücken 306, 308 zu verbrauchen. Die Schweißverbindung 352 enthält wieder erstarrtes Material des Werkstücks 308 aus Aluminium und sie kann auch eine oder mehrere Reaktionsschichten aus Fe-Al-Zwischenmetallverbindungen benachbart zu der Stoßfläche 322 des Werkstücks 306 aus Stahl enthalten. Die eine oder die mehreren Fe-Al-Zwischenmetallschichten können FeAl₃-Verbindungen, Fe₂Al₅-Verbindungen und möglicherweise andere Zwischenmetallverbindungen umfassen und weisen typischerweise eine kombinierte Gesamtdicke von 1 μm bis 5 μm auf. Die Schweißverbindung 352 erstreckt sich in das Werkstück 308 aus Aluminium bis zu einer Distanz hinein, die oftmals im Bereich von 20% bis 100% der Dicke 3080 des Werkstücks 308 aus Aluminium an dem Schweißort 312 liegt (wobei 100% vollständig durch das Werkstück 308 aus Aluminium hindurch bedeutet), genau wie das zuvor existierende Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze.
Nachdem das Durchleiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden 200, 220 beendet wurde und die von den Elektroden 200, 220 auferlegte Klemmkraft nicht mehr benötigt wird, werden die Schweißelektroden 200, 220 von ihren jeweiligen Oberflächen 314, 316 der Werkstücke aus Stahl und Aluminium zurückgezogen. Das Verfahren zum Widerstandspunktschweißen wird dann an anderen Schweißorten 312 an dem gleichen oder an einem anderen Werkstückstapel 300 wiederholt. Die fortgesetzte Verwendung der ersten und zweiten Schweißelektrode 200, 220 bei Widerstandspunktschweißoperationen bewirkt schließlich, dass die erste Schweißseite 204 und die zweite Schweißseite 224 schlechter werden. Diese Verschlechterung der Schweißseiten 204, 224 ist allgemein nicht vermeidbar und beginnt an einem bestimmten Punkt, die Kommunikation des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden 200, 220 und durch den Werkstückstapel 300 hindurch zu stören. Wenn der Stromfluss als Folge einer wahrnehmbaren Schweißseitenverschlechterung gestört wird, wird die Ausbildung der Schweißverbindung 352 gestört, wodurch es schwierig wird, Eigenschaften mit guter Festigkeit in der Verbindung 352 konsistent zu erreichen.
Die Kombination aus einander unähnlichen Materialien im Werkstückstapel 300 und die unterschiedlichen Schweißseitengeometrien der ersten und zweiten Schweißelektrode 200, 220 führen zu unterschiedlichen Formen der Verschlechterung, die an der ersten und zweiten Schweißseite 204, 224 auftreten. Beispielsweise kann die erste Schweißseite 204 der ersten Schweißelektrode 200 eine Makrodeformation in der Form von Wucherungen aufgrund der hohen Temperaturen erfahren, die an der Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl auftreten, und aufgrund des Klemmdrucks, der der Schweißseite 204 auferlegt wird, speziell, wenn das Werkstück 306 aus Stahl einen hochfesten Stahl wie etwa DP, TRIP oder andere enthält. Zudem kann die erste Schweißseite 204, wenn sie aus einer Kupferlegierung besteht, mit Zink auf dem Werkstück 306 aus Stahl, falls vorhanden, reagieren, um eine Schicht aus Kupfer-Zink-Legierung auf der Schweißseite 204 auszubilden, welche die Makrodeformation beschleunigt. Die zweite Schweißseite 224 der zweiten Schweißelektrode 220 andererseits kann, wenn sie aus einer Kupferlegierung besteht, eine metallurgische Reaktion zwischen Kupfer und Aluminium erfahren, die ein Reaktionsprodukt aus Kupfer und Aluminium bildet. Das Reaktionsprodukt aus Kupfer und Aluminium kann die Schweißseite 224 absplittern lassen und angreifen. Zudem können die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 im Lauf der Zeit deformiert oder abgeflacht werden, was die Fähigkeit der Schweißseite 224 zum Leiten von elektrischem Strom in den Werkstückstapel 300 hinein oder aus diesem heraus beeinträchtigt.
Die erste und zweite Schweißseite 204, 224 können durch das Fräswerkzeug 10 periodisch immer dann nachgearbeitet werden, wenn es gewünscht ist, einer Verschlechterung der Schweißseite entgegenzuwirken und dadurch die Nutzlebensdauer der ersten und zweiten Schweißelektrode 200, 220 zu verlängern. Die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 können speziell nachgearbeitet werden, nachdem sie zwischen 10 und 100 Schweißverbindungen 352 ausgebildet haben. Das heißt, dass die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 verwendet werden können, um einen ersten Satz von Schweißverbindungen 352 auszubilden, der im Bereich von 10 bis 100 liegt, gefolgt vom Nachbearbeiten durch das Fräswerkzeug 10. Nach dem Nacharbeiten können die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 verwendet werden, um einen zweiten Satz von Schweißverbindungen 352 auszubilden, der wieder im Bereich von 10 bis 100 liegt, gefolgt von einer weiteren Nacharbeitung mit dem Fräswerkzeug 10. Für jede Schweißelektrode 200, 220 kann dieser Ablauf aus Schweißen und Nacharbeiten fortgesetzt werden, bis der kumulierte Verbrauch von Schweißseitenmaterial, der aus den Nacharbeitungsoperationen resultiert, die Elektroden 200, 220 in einen Zustand versetzt, in dem sie für eine weitere Verwendung nicht geeignet sind. Da jede Nacharbeitungsoperation mit dem Fräswerkzeug 10 eine Materialtiefe in dem Bereich von 10 μm bis 500 μm und besonders bevorzugt von 50 μm bis 200 μm entfernt, kann jede der Schweißelektroden 200, 220 für gewöhnlich zwischen 10 und 500 Nacharbeitungsoperationen aushalten, bevor sie durch eine neue Elektrode mit der gleichen Schweißseitengeometrie ersetzt werden muss.
Das Verwenden des Fräswerkzeugs 10 zum Nacharbeiten der ersten und zweiten Schweißseite 204, 224 kann ausgeführt werden, ohne die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 von der Schweißzange zu entfernen. Die Nacharbeitungsoperation umfasst das Montieren des Fräswerkzeugs 10 in einer drehbaren Halterung. Die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 werden dann entlang der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 des Fräswerkzeugs 10 gleichzeitig derart zusammengefahren, dass die erste Schweißseite 204 in die erste Fräsaufnahme 32 aufgenommen wird und die zweite Schweißseite 224 in die zweite Fräsaufnahme 34 aufgenommen wird, wie in 18 dargestellt ist. Dieses Aufnehmen der Schweißseiten 204, 224 bringt diese in Kontakt mit den ersten bzw. zweiten Abscherflächen 68, 70, der einen oder mehreren Fräsfurchen 58 des Fräselements 14. Zu diesem Zeitpunkt werden die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 an der zweiten Schweißseite 224 an den passenden Eindringrillen 96 eingerastet und darin aufgenommen, welche in den zweiten Abscherflächen 70 der zweiten Fräsaufnahme 34 definiert sind. Wenn die ersten und zweiten Schweißseiten 204, 224 so aufgenommen sind, sind die Achse 212 der ersten Schweißseite 204 und die Achse 234 der zweiten Schweißseite 224 koaxial mit der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 des Fräswerkzeugs 10 ausgerichtet.
Das Fräswerkzeug 10 wird um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 mit einer Drehzahl gedreht, die typischerweise im Bereich von 100 U/min bis 1000 U/min oder enger gefasst von 200 U/min bis 500 U/min liegt, für minimal eine bis zehn Umdrehungen oder enger gefasst für vier bis sechs vollständige Umdrehungen um die Achsen 212, 234 der Schweißseiten 204, 224 herum. Während dieser Drehung werden die Vorderkanten 76, 90 der Abscherflächen 68, 70 von der einen oder den mehreren Fräsfurchen 58 auf gleiche Weise um die Achse 212, 234 ihrer jeweiligen Schweißseiten 204, 224 gedreht, wobei sie in Kontakt mit den Schweißseiten 204, 224 bleiben. Diese Drehbewegung der Vorderkanten 76, 90 um die Schweißseiten 204, 224 herum fräst die erste und zweite Schweißseite 204, 224 und ihre zugehörigen Übergangsansätze 208, 228, um neues Schweißseitenmaterial freizulegen und die ersten und zweite Schweißseitengeometrie wiederherzustellen. Nachdem die erste und zweite Schweißseite 204, 224 angemessen nachgearbeitet wurden, werden die Schweißelektroden 200, 220 aus der ersten und zweiten Fräsaufnahme 32, 34 heraus zurückgezogen und können, da sie noch von der Schweißzange getragen werden, schnell zurück in Dienst gestellt werden.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen und spezieller Beispiele dient lediglich zur Beschreibung; sie sind nicht zur Einschränkung des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche gedacht. Jeder der Begriffe, der in den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, soll unter Verwendung seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verwendet werden, sofern dies in der Beschreibung nicht speziell und eindeutig anderweitig angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0069]

Claims

Fräswerkzeug, das zum Nacharbeiten asymmetrischer Schweißseitengeometrien von ersten und zweiten Schweißelektroden in der Lage ist, wobei das Fräswerkzeug umfasst: einen Körper, der sich der Länge nach entlang einer Mittelachse zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, und ein Fräselement innerhalb des Körpers, das eine erste Fräsaufnahme bildet, die durch eine erste Öffnung an dem ersten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist, und das ferner eine zweite Fräsaufnahme bildet, die durch eine zweite Öffnung an dem zweiten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist, wobei das Fräselement eine Fräsfurche umfasst, die eine Fräsklinge enthält, welche axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen aufweist, welche zumindest teilweise die erste bzw. zweite Fräsaufnahme definieren, wobei die erste Abscherfläche einen unteren Endabschnitt umfasst, der profiliert ist, um eine erste Schweißseitengeometrie zu fräsen, die eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfasst, und wobei die zweite Abscherfläche einen unteren Endabschnitt umfasst, der profiliert ist, um eine zweite Schweißseitengeometrie zu fräsen, die eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten umfasst, welche von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen vorstehen.
Fräswerkzeug nach Anspruch 1, wobei die erste Schweißseitengeometrie eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfasst, die einen Durchmesser zwischen 3 mm und 16 mm und einen Krümmungsradius zwischen 8 mm und 400 mm aufweist.
Fräswerkzeug nach Anspruch 1, wobei die zweite Schweißseitengeometrie eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfasst, die einen Durchmesser zwischen 8 mm und 20 mm und einen Krümmungsradius zwischen 15 mm und 300 mm aufweist, und ferner zwischen zwei und zehn aufrecht stehende kreisförmige Grate umfasst, die eine Schweißseitenachse umgeben und deren Durchmesser von einem innersten aufrecht stehenden Grat, der die Schweißseitenachse unmittelbar umgibt, zu einem äußersten aufrecht stehenden Grad, der von der Schweißseitenachse am weitesten entfernt ist, zunimmt, wobei die aufrecht stehenden Grate auf der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche um eine Distanz von 50 μm bis 1800 μm voneinander beabstandet sind und jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate eine Grathöhe aufweist, die in einem Bereich von 20 μm bis 500 μm liegt.
Fräswerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Fräselement eine erste Fräsfurche, die eine erste Fräsklinge aufweist, eine zweite Fräsfurche, die eine zweite Fräsklinge aufweist, eine dritte Fräsfurche, die eine dritte Fräsklinge aufweist und eine vierte Fräsfurche, die eine vierte Fräsklinge aufweist, umfasst, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Fräsklinge voneinander in Umfangsrichtung derart beabstandet sind, dass jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen zu jeder ihrer beiden in Umfangsrichtung benachbarten Fräsklingen quer orientiert ist, wobei jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen enthält, wobei die ersten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen die erste Fräsaufnahme definieren und die zweiten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen die zweite Fräsaufnahme definieren.
Fräswerkzeug nach Anspruch 4, wobei sowohl die erste Abscherfläche der ersten Fräsklinge als auch die erste Abscherfläche der dritten Fräsklinge, die aufeinander ausgerichtet sind, einen unteren Endabschnitt aufweisen, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die unter die Vorderkante um einen positiven Freiwinkel versetzt ist, und wobei sowohl die zweite Abscherfläche der zweiten Fräsklinge als auch die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge, welche aufeinander ausgerichtet sind, jedoch quer zu der ersten Abscherfläche der ersten Fräsklinge und der ersten Abscherfläche der dritten Fräsklinge orientiert sind, einen unteren Endabschnitt aufweisen, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist und ferner eine Vielzahl von Eindringrillen umfasst, die sich von der Vorderkante aus zumindest einen Teil der Strecke bis zu der Hinterkante erstrecken.
Fräswerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Körper und das Fräselement einstückig ausgebildet sind.
Fräswerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Körper und das Fräselement diskrete Einzelstücke sind, die aneinander befestigt sind.
Verfahren zum Nacharbeiten von Schweißelektroden, die asymmetrische Schweißseitengeometrien aufweisen, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Fräswerkzeug bereitgestellt wird, das einen Körper und ein Fräselement innerhalb des Körpers enthält, wobei das Fräselement eine oder mehrere Fräsfurchen umfasst, die eine erste Fräsaufnahme und eine zweite Fräsaufnahme bilden, wobei die erste Fräsaufnahme durch eine erste Öffnung an einem ersten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist und die zweite Fräsaufnahme durch eine zweite Öffnung an einem zweiten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist; eine erste Schweißseite einer ersten Schweißelektrode in die erste Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird; eine zweite Schweißseite einer zweiten Schweißelektrode in die zweite Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird; und das Fräswerkzeug gedreht wird, um eine erste Schweißseitengeometrie in die erste Schweißseite und eine zweite Schweißseitengeometrie in die zweite Schweißseite zu fräsen und wiederherzustellen, wobei die erste Schweißseitengeometrie eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfasst und die zweite Schweißseitengeometrie eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten umfasst, die von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen hin vorstehen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Drehen des Fräswerkzeugs umfasst, dass das Fräswerkzeug zwischen einer und zehn vollständigen Umdrehungen um Achsen der ersten und zweiten Schweißseiten herum derart gedreht wird, dass eine Materialtiefe, die in einem Bereich von 10 μm bis 500 μm liegt, von sowohl der ersten Schweißseite als auch der zweiten Schweißseite beim Wiederherstellen der ersten Schweißseitengeometrie und der zweiten Schweißseitengeometrie entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst, dass: ein Satz aus zehn bis einhundert Schweißverbindungen zwischen einander überlappenden und benachbarten Werkstücken aus Stahl und Aluminium ausgebildet wird, bevor die erste Schweißseite in die erste Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs und die zweite Schweißseite in die zweite Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird.