DE102017113120A1

DE102017113120A1 - Mehrstufige Geometrie der Schweißseite einer Elektrode zum Verbinden von Aluminium und Stahl durch Schweißen

Info

Publication number: DE102017113120A1
Application number: DE102017113120.5A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; Blair E. Carlson; Hui-Ping Wang; Nannan Chen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Es werden eine Punktschweißelektrode und ein Verfahren zum Verwenden der Elektrode zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzendes überlappendes Werkstück aus Stahl enthält, offenbart. Die Punktschweißelektrode enthält eine Schweißseite mit einer mehrstufigen konischen Geometrie, die eine Folge von Stufen enthält, die um eine Schweißseitenachse zentriert sind. Die Folge von Stufen umfasst eine innerste erste Stufe in der Form eines zentralen Plateaus und zusätzlich eine oder mehrere kreisringförmige Stufen, welche das zentrale Plateau umgeben und von dem zentralen Plateau aus radial nach außen zu einem Außenumfang der Schweißseite hin stufenförmig abfallen. Die Schweißseite weist im Querschnitt ein konisches Profil auf, in welchem ein äußerer Rand einer oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und ein äußerer Rand einer oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen in einem konischen Schnittbereich enthalten sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr. 62/351,110, die am 16. Juni 2016 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt der vorstehend erwähnten vorläufigen Anmeldung ist hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen.
TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft die Ausbildung von Widerstandspunktschweißfügestellen zwischen einem Werkstück aus Aluminium und einem Werkstück aus Stahl und spezieller eine Punktschweißelektrode mit einer mehrstufigen Geometrie der Schweißseite, die ein derartiges Verbinden durch Schweißen ermöglicht, speziell, wenn ein organisches Zwischenmaterial zwischen den Stoßflächen der Werkstücke aus Aluminium und Stahl angeordnet ist.
EINLEITUNG
Das Widerstandspunktschweißen ist ein Prozess, der in einer Anzahl in Industrien verwendet wird, um zwei oder mehr Werkstücke aus Metall zusammenzufügen. Die Kraftfahrzeugindustrie verwendet beispielsweise oft Widerstandspunktschweißen, um unter anderem Werkstücke aus Metall während der Herstellung von Strukturrahmenelementen (z. B. Seiten- und Querstreben von Karosserien) und Fahrzeugverschlusselementen, (z. B. Fahrzeugtüren, Motorhauben, Kofferraumdeckel und Heckklappen) zusammenzufügen. Typischerweise wird eine Anzahl von Punktschweißverbindungen entlang einer Randkante des Werkstücks aus Metall oder eines anderen ausgewählten Verbindungsbereichs ausgebildet, um sicherzustellen, dass das Teil strukturell stabil ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, 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 die Fahrzeugkarosseriestruktur Interesse am Zusammenfügen eines Werkstücks aus Stahl mit einem Werkstück aus Aluminium mit Hilfe des Widerstandspunktschweißens erzeugt.
Das Widerstandspunktschweißen beruht auf dem Widerstand gegen das Fließen eines elektrischen Stroms durch einander überlappende Werkstücke aus Metall und über deren Stoßschnittstellen hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um einen derartigen Schweißprozess auszuführen, werden zwei einander gegenüberliegende Punktschweißelektroden an diametral ausgerichteten Punkten auf zueinander entgegengesetzten Seiten der einander überlappenden Werkstücke an einer vorbestimmten Schweißzone festgeklemmt. Die Klemmkraft liegt typischerweise in dem Bereich von etwa 2670 N–5340 N (600–1200 lbf). Dann wird ein elektrischer Strom durch die Werkstücke aus Metall von einer Elektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegen das Fließen dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme innerhalb der Werkstücke aus Metall und an deren Stoßschnittstelle. Wenn die Werkstücke aus Metall, die punktgeschweißt werden, ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzend positioniertes Werkstück aus Stahl umfassen, lässt die innerhalb der Masse der Werkstücke und an ihrer Stoßschnittstelle erzeugte Wärme das Werkstück aus Aluminium rapide schmelzen und erzeugt ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks aus Aluminium. Dieses Schmelzbad aus Schmelze benetzt die angrenzende Oberfläche des Werkstücks aus Stahl und erstarrt nach der Beendigung des Stromflusses zu einer Schweißfügestelle, welche die Werkstücke aus Aluminium und Stahl miteinander durch Schweißen verbindet.
Jedoch ist in der Praxis das Punktschweißen eines Werkstücks aus Aluminium mit einem Werkstück aus Stahl ein Problem, da eine Anzahl von Eigenschaften dieser beiden Metalle die Festigkeit – besonders die Abschälfestigkeit und die Kreuz-Zugfestigkeit – der Schweißfügestelle nachteilig beeinträchtigen können. Hinsichtlich der Eigenschaften der einander unähnlichen Metalle weist Aluminium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600°C) und relativ geringe elektrische und thermische Widerstandswerte auf, während Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (~1500°C) und relativ hohe elektrische und thermische Widerstandswerte aufweist. Als Folge dieser physikalischen Unterschiede wird während eines Stromflusses ein Großteil der Wärme innerhalb des Werkstücks aus Stahl erzeugt, so dass ein Wärmeungleichgewicht zwischen dem Werkstück aus Stahl und dem Werkstück aus Aluminium existiert. Die Kombination aus dem Wärmeungleichgewicht, das während des Stromflusses erzeugt wird, und der hohen thermischen Leitfähigkeit des Werkstücks aus Aluminium bedeutet, dass unmittelbar, nachdem der Fluss des elektrischen Stroms beendet wird, eine Situation auftritt, bei der Wärme aus der Schweißzone heraus nicht symmetrisch verbreitet wird. Stattdessen wird Wärme von dem heißeren Werkstück aus Stahl durch das Werkstück aus Aluminium hindurch zu der Punktschweißelektrode an der anderen Seite des Werkstücks aus Aluminium geleitet, wodurch ein steiler Temperaturgradient in diese Richtung erzeugt wird.
Man vermutet, dass die Entwicklung eines steilen Temperaturgradienten zwischen dem Werkstück aus Stahl und der Punktschweißelektrode an der anderen Seite des Werkstücks aus Aluminium die resultierende Schweißfügestelle auf mehrere Weisen schwächt. Erstens, da das Werkstück aus Stahl Wärme länger behält als das Werkstück aus Aluminium, nachdem das Fließen des elektrischen Stroms beendet wurde, erstarrt das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, das während des Stromflusses erzeugt wurde, gerichtet, wobei dies von der Region aus startet, die der kälteren Punktschweißelektrode nahe bei dem Werkstück aus Aluminium am Nächsten liegt (die oftmals wassergekühlt ist), und sich zu der Stoßschnittstelle der Werkstücke aus Aluminium und Stahl hin ausbreitet. Eine Erstarrungsfront dieser Art tendiert dazu, Defekte – etwa Gasporosität, Schrumpfleerräume und Mikrorisse – zu und entlang der Stoßschnittstelle zu spülen und zu treiben. Zweitens fördert die andauernde erhöhte Temperatur in dem Werkstück aus Stahl das Wachsen einer harten und spröden Zwischenmetallschicht aus Fe-Al an und entlang der Stoßschnittstelle. Die Verteilung von Schweißdefekten zusammen mit dem übermäßigen Wachstum der Zwischenmetallschicht aus Fe-Al entlang der Stoßschnittstelle tendiert dazu, die Abschälfestigkeit und/oder die Kreuz-Zugfestigkeit der Schweißfügestelle zu verringern.
Die Probleme, die dazu tendieren, das Widerstandspunktschweißen von Werkstücken aus Aluminium und Stahl zu verkomplizieren, erstrecken sich über deren materiell divergierende Eigenschaften hinaus. Jedes der Werkstücke aus Aluminium und Stahl kann in einigen Fällen aufgebrachte oder natürliche Oberflächenschichten enthalten, die sich in der Zusammensetzung ihrer unterlagerten Basissubstrate unterscheiden. Beispielsweise kann das Werkstück aus Aluminium eine Oberflächenschicht enthalten, die aus einem hitzebeständigen Oxidmaterial besteht. Dieses Oxidmaterial besteht typischerweise aus Aluminiumoxidverbindungen, obwohl andere Oxidverbindungen ebenfalls vorhanden sein können, wie zum Beispiel Magnesiumoxidverbindungen, wenn das Werkstück aus Aluminium eine magnesiumhaltige Aluminiumlegierung enthält. Wenn die auf dem Werkstück aus Aluminium vorhandene Oberflächenschicht aus dem hitzebeständigen Oxidmaterial besteht, ist sie elektrisch isolierend und mechanisch fest. Als Folge tendiert ein Restoxidfilm, der Reste der ursprünglichen Oberflächenschicht enthält, dazu, an und entlang der Stoßoberfläche des Werkstücks aus Stahl intakt zu bleiben, wo er die Fähigkeit des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze zum Benetzen des Werkstücks aus Stahl behindern kann, was die Festigkeit der Fügestelle nachteilig beeinflussen kann, speziell wenn sie mit anderen Defekten der Schweißfügestelle kombiniert wird, die aufgrund einer gerichteten Erstarrung des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze zu der Stoßschnittstelle hin gespült werden können.
Die Komplikationen, die der Oberflächenschicht des Werkstücks aus Aluminium zugeschrieben werden, können vergrößert werden, wenn eine Zwischenschicht aus organischem Material, etwa eine Schicht aus nicht gehärtetem, durch Wärme aushärtbaren Klebstoff zwischen den Stoßoberflächen der Werkstücke aus Aluminium und Stahl an der Schweißzone vorhanden ist. Eine nicht ausgehärtete, aber durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht kann zwischen den Stoßoberflächen der gestapelten Werkstücke angeordnet sein, um ein zusätzliches Haften zwischen den Werkstücken über eine weite Schnittstellenfläche um Schweißzonen herum und dazwischen bereitzustellen. Beim Zusammenklemmen der Werkstücke durch den kräftigen Druck, der durch die Punktschweißelektroden aufgebracht wird, und vor dem Austauschen von Strom, wird ein Teil des Klebstoffs seitlich aus der Schweißzone herausgedrückt. Der verbleibende Klebstoff wird dann am Ort der Schweißfügestelle während des Stromflusses zerlegt. Nach Abschluss der Punktschweißprozedur werden die klebstoffhaltigen Regionen der geschweißten Werkstücke erwärmt, beispielsweise in einem ELPO-Backofen (ELPO bezeichnet eine elektrophoretische Vorbereitungsoperation). Die aufgebrachte Erwärmung härtet die Klebstoffschicht aus, um eine starke Stützadhäsion zwischen den gegenüberliegenden Stoßoberflächen der Werkstücke aus Metall um die Orte herum zu erreichen, an denen das Punktschweißen ausgeführt wurde.
Die Zwischenschicht aus organischem Material weist die Tendenz zum Interagieren mit dem hitzebeständigen Oxidmaterial der Oberflächenoxidschicht auf, um ein zäheres Material bei Punktschweißtemperaturen auszubilden. Insbesondere vermutet man, dass Rückstände, die aus der thermischen Zerlegung der Zwischenschicht aus organischem Material erhalten werden – etwa Kohlenstoffasche, Füllpartikel (z. B. Siliziumdioxid, Gummi, usw.) und andere Sekundärmaterialien – sich mit dem Restoxidfilm kombinieren, um einen Restfilmverbund auszubilden, der gegen ein mechanisches Aufbrechen und Verteilen während eines Stromflusses im Vergleich mit dem Restoxidfilm alleine widerstandsfähiger ist. Die Ausbildung eines festeren Restfilmverbund führt dazu, dass Fragmente dieses Films an und entlang der Stoßoberfläche des Werkstücks aus Stahl auf eine viel störendere Weise gruppiert und angesammelt bleiben, als in Fällen, bei denen keine Schicht aus organischem Material zwischen den Werkstücken aus Stahl und Aluminium vorhanden ist. Diesbezüglich vermutet man, dass der Restfilmverbund die Diffusion von Eisen in das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze hinein blockiert, was zu einer übermäßigen Verdickung der harten und spröden Zwischenmetallschicht aus Fe-Al und damit zum Schwächen der Fügestelle führen kann. Zudem können irgendwelche Gase, die während der Zerlegung des organischen Materials erzeugt werden, in dem Schmelzbad aus Aluminiumschmelze gefangen werden und sie können schließlich zu Porosität innerhalb der erstarrten Schweißfügestelle führen. Noch weiter kann der Restfilmverbund eine für Risse anfällige Strecke entlang der Verbindungsschnittstelle der Schweißfügestelle mit dem Werkstück aus Stahl bereitstellen, was wiederum die Schweißfügestelle schwächen kann.
Im Licht der vorstehend erwähnten Probleme haben vorherige Bemühungen zum Punktschweißen eines Werkstücks aus Aluminium mit einem Werkstück aus Stahl einen Schweißablauf verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (im Vergleich mit Punktschweißen von Stahl mit Stahl) beschreibt, um zu versuchen, eine vernünftige Schweißverbindungsfläche zu erhalten. Diese Bemühungen waren in einer Produktionsumgebung zu einem großen Teil nicht erfolgreich und sie weisen die Tendenz zum Beschädigen der Punktschweißelektroden auf. Da die vorherigen Punktschweißbemühungen nicht besonders erfolgreich gewesen sind, wurden stattdessen hauptsächlich mechanische Befestigungselemente verwendet, welche selbstbohrende Nieten und Flow-drill-Schrauben umfassen. Jedoch benötigen mechanische Befestigungselemente mehr Zeit zum Anbringen und weisen im Vergleich mit dem Punktschweißen hohe Verbrauchskosten auf.
Außerdem fügen sie Gewicht zu dem Fahrzeug hinzu – Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen mit Hilfe von Punktschweißen bewerkstelligt wird – das einigen der Gewichtseinsparungen entgegenwirkt, die überhaupt erst durch die Verwendung eines Werkstücks aus Aluminium erreicht wurden. Fortschritte beim Punktschweißen, die es erleichtern würden, Werkstücke aus Aluminium und Stahl zusammenzufügen, wären daher eine willkommene Erweiterung der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Eine Punktschweißelektrode in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann einen Körper und eine Schweißseite umfassen, die an einem Ende des Körpers abgestützt ist. Die Schweißseite weist eine mehrstufige konische Geometrie auf, die eine Folge von Stufen enthält, die um eine Schweißseitenachse zentriert sind und innerhalb eines Außenumfangs der Schweißseite enthalten sind. Die Folge von Stufen kann eine innerste erste Stufe in der Form eines zentralen Plateaus umfassen und zusätzlich eine oder mehrere kreisringförmige Stufen, die das zentrale Plateau umgeben und von dem zentralen Plateau aus radial nach außen zu dem Außenumfang der Schweißseite stufenförmig abfallen. Das zentrale Plateau weist eine obere Plateauoberfläche auf und jede der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen weist eine obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe auf. Darüber hinaus weist die Schweißseite im Querschnitt ein konisches Profil auf, in welchem ein äußerer Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und ein äußerer Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen in einem konischen Schnittbereich enthalten sind, der durch eine obere lineare Begrenzungslinie und eine untere lineare Begrenzungslinie definiert ist. Die obere lineare Begrenzungslinie und die untere lineare Begrenzungslinie schneiden sich an dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche und erstrecken sich von einer horizontalen Ebene aus, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, nach unten und nach außen zu einer horizontalen Ebene, die sich von dem Außenumfang der Schweißseite aus erstreckt. Die obere lineare Begrenzungslinie ist unter einem Winkel von 5° zu der horizontalen Ebene geneigt, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, und die untere lineare Begrenzungslinie ist unter einem Winkel von 15° zu der horizontalen Ebene geneigt, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt.
Die Punktschweißelektrode der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann andere Merkmale enthalten oder weiter definiert sein. Zum Beispiel können die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und der äußere Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen entlang einer linearen Tangentenlinie mit konstanter Steigung ausgerichtet sein, die zu einer horizontalen Ebene, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, um einen Winkel geneigt ist, der in einem Bereich von 5° bis 15° liegt. Der Außenumfang der Schweißseite kann außerdem auf die lineare Tangentenlinie mit konstanter Steigung zusammen mit dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und dem äußeren Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen ausgerichtet sein. Als weiteres Beispiel kann die Schweißseite von dem Ende des Körpers aus um eine Übergangsnase nach oben verschoben sein. Bei noch einem weiteren Beispiel kann die Schweißseitenachse mit einer Achse des Körpers kolinear ausgerichtet sein. Und noch weiter kann die eine oder können die mehreren kreisringförmigen Stufen zwischen zwei und sechs kreisringförmigen Stufen umfassen.
Die Größen und Gestalten der verschiedenen Merkmale der Schweißseite können variieren. Zum Beispiel kann die obere Plateauoberfläche in Draufsicht kreisförmig sein mit einem Durchmesser in einem Bereich von 2 mm bis 8 mm, und eine Plateauseitenoberfläche des zentralen Plateaus, die die obere Plateauoberfläche umgibt und sich von dieser aus nach unten erstreckt, kann eine Höhe aufweisen, die in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm liegt, und sie kann sich von der oberen Plateauoberfläche radial nach außen aufweiten unter einem Neigungswinkel, der in einem Bereich von 5° bis 60° liegt. Die obere Plateauoberfläche kann außerdem entweder planar oder konvex gewölbt sein. Im Hinblick auf die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen kann die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen eine Breite aufweisen, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 2,0 mm liegt, und eine Stufenseitenoberfläche von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen, die die obere Oberfläche der kreisringförmigen Stufe umgibt und sich von dieser aus nach unten erstreckt, sie kann sich von der oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe radial nach außen unter einem Neigungswinkel aufweiten, der in einem Bereich von 5° bis 60° liegt. Die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen kann außerdem entweder planar oder konvex gewölbt sein.
Bei einer speziellen Implementierung der vorstehend erwähnten Ausführungsform der Punktschweißelektrode kann das zentrale Plateau eine Plateauseitenoberfläche enthalten, die sich von der oberen Plateauoberfläche nach unten erstreckt und sich von der oberen Plateauoberfläche aus radial nach außen aufweitet, und die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen, welche das zentrale Plateau umgeben, können mindestens eine erste kreisringförmige Stufe, die zu dem zentralen Plateau benachbart ist, eine zweite kreisringförmige Stufe, die zu der ersten kreisringförmigen Stufe benachbart ist, und eine dritte kreisringförmige Stufe, die zu der zweiten kreisringförmigen Stufe benachbart ist, umfassen. Die erste kreisringförmige Stufe kann eine erste obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aufweisen, die sich von der Plateauseitenoberfläche des zentralen Plateaus radial nach außen zu einer Seitenoberfläche der ersten Stufe erstreckt, die sich von der oberen Oberfläche der ersten kreisringförmigen Stufe nach unten erstreckt und sich von der oberen Oberfläche der ersten kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet. Analog kann die zweite kreisringförmige Stufe eine obere Oberfläche der zweiten kreisringförmigen Stufe aufweisen, die sich von der Seitenoberfläche der ersten Stufe der ersten kreisringförmigen Stufe radial nach außen zu einer Seitenoberfläche der zweiten Stufe hin erstreckt, die sich von der oberen Oberfläche der zweiten kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt und sich von der oberen Oberfläche der zweiten kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet. Und analog kann die dritte kreisringförmige Stufe eine obere Oberfläche der dritten kreisringförmigen Stufe aufweisen, die sich von der Seitenoberfläche der zweiten Stufe der zweiten kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen zu einer Seitenoberfläche der dritten Stufe erstreckt, die sich von der oberen Oberfläche der dritten kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt und sich von der oberen Oberfläche der dritten kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet.
Eine Punktschweißelektrode in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann einen Körper und eine Schweißseite, die an einem Ende des Körpers abgestützt ist, enthalten. Die Schweißseite kann eine mehrstufige konische Geometrie aufweisen, die eine Folge von Stufen enthält, die auf eine Schweißseitenachse zentriert sind und innerhalb eines Außenumfangs der Schweißseite enthalten sind. Die Folge von Stufen kann eine innerste erste Stufe in der Form eines zentralen Plateaus und zusätzlich eine oder mehrere kreisringförmige Stufen umfassen, die das zentrale Plateau umgeben und von dem zentralen Plateau aus radial nach außen zu dem Außenumfang der Schweißseite hin stufenförmig abfallen. Das zentrale Plateau weist eine obere Plateauoberfläche und eine Plateauseitenoberfläche auf, die sich von der oberen Plateauoberfläche aus nach unten erstreckt und sich von der oberen Plateauoberfläche aus radial nach außen aufweitet, und jede der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen weist eine obere Oberfläche der kreisringförmigen Stufe und eine Stufenseitenoberfläche auf, die sich von der oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt und sich von der oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet. Darüber hinaus weist die Schweißseite im Querschnitt ein konisches Profil auf, bei welchem ein äußerer Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und ein äußerer Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen in einem konischen Schnittbereich enthalten sind, der durch eine obere lineare Begrenzungslinie und eine untere lineare Begrenzungslinie definiert ist. Die obere lineare Begrenzungslinie und die untere lineare Begrenzungslinie schneiden sich an dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche und sind um einen Winkel von 5° bzw. 15° zu einer horizontalen Ebene geneigt, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt.
Die Punktschweißelektrode der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann andere Merkmale enthalten oder weiter definiert werden. Zum Beispiel kann die obere Plateauoberfläche in Draufsicht kreisförmig mit einem Durchmesser sein, der in einem Bereich von 2 mm bis 8 mm liegt, und die Plateauseitenoberfläche kann eine Höhe aufweisen, die in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm liegt und sie kann sich von der oberen Plateauoberfläche aus radial nach außen mit einem Neigungswinkel aufweiten, der im Bereich von 5° bis 60° liegt. Im Hinblick auf die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen kann die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen eine Breite aufweisen, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 2,0 mm liegt, und die Stufenseitenoberfläche von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen kann eine Höhe aufweisen, die in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm liegt und sie kann sich von der oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen unter einem Neigungswinkel aufweiten, der in einem Bereich von 5° bis 60° liegt. Als weiteres Beispiel kann die eine oder können die mehreren kreisringförmigen Stufen der Schweißseite zwischen zwei und sechs kreisringförmige Stufen enthalten.
Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzendes, überlappendes Werkstück aus Stahl enthält, kann mehrere Schritte in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten. In einem Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der ein Werkstück aus Aluminium und ein Werkstück aus Stahl enthält, das sich mit dem Werkstück aus Aluminium überlappt, um eine Stoßschnittstelle zwischen den Werkstücken aus Aluminium und Stahl herzustellen. Der Werkstückstapel weist eine Werkstückoberfläche aus Aluminium, die eine erste Seite des Stapels bereitstellt, und eine Werkstückoberfläche aus Stahl, die eine entgegengesetzte zweite Seite des Stapels bereitstellt, auf. In einem weiteren Schritt wird der Werkstückstapel zwischen einer Schweißseite einer ersten Punktschweißelektrode und einer Schweißseite einer zweiten Punktschweißelektrode positioniert. Die Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode kann eine Folge von Stufen umfassen, die eine innerste erste Stufe in der Form eines zentralen Plateaus und zusätzlich ein oder mehrere kreisringförmige Stufen umfasst, die das zentrale Plateau umgeben und von dem zentralen Plateau aus radial nach außen stufenförmig abfallen. Das zentrale Plateau weist eine obere Plateauoberfläche auf und jede der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen weist eine obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe auf. Die Schweißseite weist außerdem ein konisches Querschnittsprofil auf, in welchem ein äußerer Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und ein äußerer Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen entlang einer linearen Tangentenlinie mit konstanter Steigung ausgerichtet sind.
In einem weiteren Schritt, und sobald der Werkstückstapel an Ort und Stelle ist, wird die Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode gegen die erste Seite des Werkstückstapels gedrückt, sodass die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus zuerst einen Kontakt mit der ersten Seite des Werkstückstapels herstellt und ein beliebiger Druck, der von der Schweißseite der ersten Schweißelektrode auf die erste Seite des Werkstückstapels ausgeübt wird, zumindest anfänglich durch die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus hindurch geleitet wird. Außerdem wird in einem weiteren Schritt die Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode gegen die zweite Seite des Werkstückstapels in einer einander gegenüberliegenden Ausrichtung mit der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode bei einer Schweißzone gedrückt. In noch einem weiteren Schritt wird ein elektrischer Strom zwischen der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode und der Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode und durch den Werkstückstapel hindurchgeleitet, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks als Aluminium anwachsen zu lassen, welches eine angrenzende Stoßoberfläche des Werkstücks aus Stahl benetzt. Die Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode drückt während des Anwachsens des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze derart weiter in die erste Seite des Werkstückstapels hinein, dass die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von mindestens einigen der einen oder der mehreren kreisringförmigen Stufen in Kontakt mit der ersten Seite des Werkstückstapels gebracht werden.
Das Verfahren der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann zusätzliche Schritte enthalten oder weiter definiert werden. Zum Beispiel kann der Werkstückstapel ferner eine Zwischenschicht aus organischem Material umfassen, die zwischen den Werkstücken aus Aluminium und Stahl an der Stoßschnittstelle aufgebracht ist. Diesbezüglich kann in einem weiteren Schritt des Verfahrens ein vorläufiger elektrischer Strom zwischen der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode und der Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode und durch den Werkstückstapel hindurchgeleitet werden, bevor der elektrische Strom hindurchgeleitet wird, der das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze anwachsen lässt. Das Durchleiten des vorläufigen elektrischen Stroms erwärmt die Zwischenschicht aus organischem Material und macht diese weniger viskos, ohne das Werkstück aus Aluminium zu schmelzen, das angrenzend an das Werkstück aus Stahl liegt. Wenn beispielsweise speziell die Zwischenschicht aus organischem Material eine durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht ist, kann das Durchleiten des vorläufigen elektrischen Stroms zwischen der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode und der Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode die durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht auf 100°C bis 150°C erwärmen.
Wenn das Verfahren der vorstehenden Ausführungsform ausgeführt wird, kann das Drücken der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode gegen die erste Seite des Werkstückstapels ein seitliches Verschieben der Zwischenschicht aus organischem Material entlang der Stoßschnittstelle der Werkstücke aus Aluminium und Stahl und aus zumindest einer zentralen Fläche der Schweißzone heraus bewirken. Dies kann als Folge dessen auftreten, dass zumindest anfänglich ein beliebiger Druck, der von der Schweißseite der ersten Schweißelektrode auf die erste Seite des Werkstückstapels durch die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus an die Mitte der Schweißzone gelenkt wird, bevor der elektrische Strom zwischen der Schweißseite der ersten Schweißelektrode und der Schweißseite der zweite Schweißelektrode geleitet wird. Das Verfahren kann an einer Vielfalt von Werkstückstapelkonfigurationen ausgeführt werden. Zum Beispiel enthält in einer Implementierung das Werkstück aus Aluminium eine Stoßoberfläche und eine rückseitige Oberfläche und das Werkstück aus Stahl enthält eine Stoßoberfläche und eine rückseitige Oberfläche. Die Stoßoberfläche des Werkstücks aus Aluminium und die Stoßoberfläche des Werkstücks aus Stahl können einander gegenüberliegen, um die Stoßschnittstelle zwischen den Werkstücken aus Aluminium und Stahl herzustellen. Andererseits können die rückseitige Oberfläche des Werkstücks aus Aluminium und die rückseitige Oberfläche des Werkstücks aus Stahl jeweils die Werkstückoberfläche aus Aluminium, welche die erste Seite des Werkstückstapels bereitstellt, und die Werkstückoberfläche aus Stahl, welche die zweite Seite des Werkstückstapels bereitstellt, bilden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Punktschweißelektrode, die eine mehrstufige Schweißseitengeometrie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung enthält;
2 ist eine Teilquerschnittsansicht der Punktschweißelektrode, die in 1 dargestellt ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
3 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht der Seitenwand von einer der Stufen der Schweißseite, die in 2 dargestellt ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung;
4 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Werkstückstapels, der zwischen einem Satz von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden in Vorbereitung auf ein Widerstandspunktschweißen angeordnet ist, wobei der Werkstückstapel ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzendes, überlappendes Werkstück aus Stahl zusammen mit einer optionalen Zwischenschicht aus organischem Material enthält, die zwischen den beiden Werkstücken angeordnet ist, und wobei jede der gegenüberliegenden Punktschweißelektroden eine mehrstufige Schweißseitengeometrie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung enthält;
5 ist eine Explosionsansicht des Werkstückstapels und von Teilen des Satzes von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden, die in 1 gezeigt sind;
6 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Werkstückstapels, der zwischen einem Satz von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden in Vorbereitung für ein Widerstandspunktschweißen angeordnet ist, wobei jede der gegenüberliegenden Punktschweißelektroden eine mehrstufige Schweißseitengeometrie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung enthält und der Werkstückstapel ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzendes überlappendes Werkstück aus Stahl zusammen mit einer Zwischenschicht aus organischem Material, die zwischen den zwei Werkstücken angeordnet ist, enthält, obwohl hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium enthält (d. h. zwei Werkstücke aus Aluminium und ein Werkstück aus Stahl);
7 ist eine allgemeine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Werkstückstapels, der zwischen einem Satz von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden in Vorbereitung auf ein Widerstandspunktschweißen angeordnet ist, wobei jede der gegenüberliegenden Punktschweißelektroden eine mehrstufige Schweißseitengeometrie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung enthält und der Werkstückstapel ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzendes überlappendes Werkstück aus Stahl zusammen mit einer Zwischenschicht aus organischem Material, die zwischen den zwei Werkstücken angeordnet ist, enthält, obwohl hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthält (d. h. zwei Werkstücke aus Stahl und ein Werkstück aus Aluminium);
8 ist eine allgemeine Ansicht des Werkstückstapels (im Querschnitt) und des Satzes von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden während eines anfänglichen Zusammenklemmens des Werkstückstapels, welches umfassen kann, dass ein vorläufiger elektrischer Strom durch den Werkstückstapel hindurch und zwischen den gegenüberliegenden Punktschweißelektroden an der Schweißzone hindurchgeleitet wird, während die Schweißelektroden gegen ihre jeweils gegenüberliegenden Seiten des Werkstückstapels geklemmt werden;
9 ist eine allgemeine Ansicht des Werkstückstapels (im Querschnitt) und des Satzes von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden während des Durchleitens eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißseiten der Elektroden und durch den Stapel hindurch, welches stattfindet, nachdem der Stapel anfänglich an der Schweißzone zusammengeklemmt wurde, wobei das Durchleiten des elektrischen Stroms ein Schmelzen des Werkstücks aus Aluminium, welches angrenzend an das Werkstück aus Stahl liegt, und die Erzeugung des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks aus Aluminium verursacht;
10 ist eine allgemeine Ansicht des Werkstückstapels (im Querschnitt) und des Satzes von gegenüberliegenden Punktschweißelektroden nach dem das Durchleiten von elektrischem Strom zwischen den Schweißseiten der Elektroden und durch den Stapel hindurch beendet wurde, wodurch ermöglicht wird, dass das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu einer Schweißfügestelle erstarrt, welche das Paar von angrenzenden Werkstücken aus Aluminium und Stahl durch Schweißen miteinander verbindet;
11 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer zweiten Punktschweißelektrode, die in Verbindung mit der ersten Punktschweißelektrode verwendet werden kann (z. B. mit der Punktschweißelektrode, die in 1–3 dargestellt ist), um eine Widerstandspunktschweißung des Werkstückstapels durchzuführen; und
12 ist eine Teilquerschnittsansicht der Punktschweißelektrode, die in 1 dargestellt ist, welche den konischen Schnittbereich zeigt, der das im Querschnitt konische Schweißseitenprofil der mehrstufigen Schweißseitengeometrie der Punktschweißelektrode der vorliegenden Offenbarung definiert.
GENAUE BESCHREIBUNG
Das Widerstandspunktschweißen eines Werkstücks aus Aluminium mit einem Werkstück aus Stahl präsentiert einige bemerkenswerte Probleme aufgrund der materiell unterschiedlichen Eigenschaften der einander unähnlichen Werkstücke. Speziell ist es schwierig, die hitzebeständige Oberflächenoxidschicht des Werkstücks aus Aluminium zu durchbrechen und zu zerlegen, welche die Fähigkeit des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze zum Benetzen des Werkstücks aus Stahl behindert und außerdem zu Defekten in der Nähe der Schnittstelle beitragen kann. Darüber hinaus ist das Werkstück aus Stahl thermisch und elektrisch widerstandsfähiger als das Werkstück aus Aluminium, was bedeutet, dass das Werkstück aus Stahl wie eine Wärmequelle wirkt und das Werkstück aus Aluminium wie ein Wärmeleiter wirkt. Das resultierende Wärmeungleichgewicht, das zwischen den Werkstücken während und direkt nach dem Fließen eines elektrischen Stroms hergestellt wird, weist die Tendenz auf, die Schweißdefekte, etwa Porosität und Mikrorisse, zu und entlang einer Verbindungsschnittstelle der Schweißfügestelle und dem Werkstück aus Stahl hin zu treiben, und es trägt außerdem zu der Ausbildung und zum Wachstum einer spröden Zwischenmetallschicht aus Fe-Al bei, die an das Werkstück aus Stahl angrenzt. Die Probleme, die das Ausbilden einer Schweißfügestelle zwischen den Werkstücken aus Aluminium und Stahl begleiten, werden weiter verkompliziert, wenn eine Zwischenschicht aus organischem Material zwischen den Stoßoberflächen der einander überlappenden Werkstücke angeordnet ist.
Eine Punktschweißelektrode 10, die in Widerstandspunktschweißanwendungen nützlich ist, ist in 1–3 allgemein gezeigt. Im Speziellen weist die Punktschweißelektrode 10 eine Schweißseite auf, die durch eine mehrstufige konische Geometrie definiert ist. Die Punktschweißelektrode 10 kann in Verbindung mit einer weiteren Punktschweißelektrode verwendet werden, die eine ähnliche oder unähnliche Schweißseitengeometrie aufweisen kann, um einen Werkstückstapel punktzuschweißen, der mindestens ein Werkstück aus Aluminium und ein überlappendes und angrenzendes Werkstück aus Stahl enthält, wie in größerem Detail nachstehend mit Bezug auf 4–10 beschrieben wird. Beispielsweise kann die Punktschweißelektrode 10 betrieben werden, um einen ”2T”-Werkstückstapel (4–5) punktzuschweißen, der nur das aneinander angrenzende und sich überlappende Paar von Werkstücken aus Aluminium und Stahl enthält. Als weiteres Beispiel kann die Punktschweißelektrode 10 betrieben werden, um einen ”3T”-Werkstückstapel (6–7) punktzuschweißen, der das aneinander angrenzende und sich überlappende Paar von Werkstücken aus Aluminium und Stahl plus ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium oder ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthält, sofern die beiden Werkstücke mit der gleichen Grundmaterialzusammensetzung nebeneinander angeordnet sind (z. B. Aluminium-Aluminium-Stahl oder Aluminium-Stahl-Stahl). Die Punktschweißelektrode 10 kann sogar zum Punktschweißen von ”4T”-Werkstückstapeln verwendet werden (z. B. Aluminium-Aluminium-Stahl-Stahl, Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl oder Aluminium-Stahl-Stahl-Stahl).
Mit Bezug nun auf 1–3 enthält die Punktschweißelektrode 10 einen Elektrodenkörper 12 und eine Schweißseite 14. Der Elektrodenkörper 12, der vorzugsweise eine zylindrische Gestalt aufweist, weist ein Vorderende 16 auf, das die Schweißseite 14 präsentiert und abstützt, und ein rückseitiges Ende 18, das das Montieren der Elektrode 10 an einer Schweißzange ermöglicht. Das Vorderende 16 des Elektrodenkörpers 12 weist einen Durchmesser 161 auf, der in dem Bereich von 12 mm bis 22 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 16 mm bis 20 mm liegt, und das rückseitige Ende 18 des Elektrodenkörpers 12 weist einen Durchmesser 181 auf, der typischerweise gleich dem Durchmesser 161 des Vorderendes 16 ist, speziell wenn der Elektrodenkörper 12 zylindrisch gestaltet ist. Darüber hinaus definiert, wie allgemein in 1 gezeigt ist, das rückseitige Ende 18 des Elektrodenkörpers 12 eine Öffnung 20 zu einer Innenausnehmung 22 zum Einführen von und Befestigen an einer Elektrodenmontagevorrichtung, etwa einem (nicht gezeigten) Schaftadapter, der die Punktschweißelektrode 10 an einem Zangenarm der Schweißzange befestigen kann und außerdem das Fließen eines Kühlfluids (z. B. Wasser) durch die Innenausnehmung 22 hindurch ermöglichen kann, um die Temperatur der Elektrode 10 während Punktschweißoperationen zu verwalten.
Die Schweißseite 14 ist der Abschnitt der Punktschweißelektrode 10, der entworfen ist, um beim Punktschweißen eine Seite des Werkstückstapels unter Druck zu kontaktieren und um einen elektrischen Strom durch den Stapel in Verbindung mit der Schweißseite einer gegenüberliegenden und auf die Vorderseite ausgerichteten Punktschweißelektrode auf der gegenüberliegenden Seite des Stapels hindurchzuleiten. Die Schweißseite 14 kann von dem Vorderende 16 des Elektrodenkörpers 12 aus um eine Übergangsnase 24 nach oben versetzt sein oder sie kann direkt aus dem Vorderende 16 hervorgehen (was ”Vollseitenelektrode” genannt wird). Wenn die Übergangsnase 24 vorhanden ist, kann die Schweißseite 14 von dem Vorderende 16 um eine Distanz 26 nach oben versetzt sein, die vorzugsweise zwischen 2 mm und 10 mm liegt. Die Übergangsnase 24 kann eine kegelstumpfförmige oder abgeschnittene bzw. trunkierte kugelförmige Gestalt aufweisen, obwohl andere Gestalten selbstverständlich möglich sind. Wenn die Nase 24 kegelstumpfförmig ist, liegt der Trunkierungswinkel 241 vorzugsweise zwischen 30° und 60° von einer horizontalen Ebene aus (auch eine Ebene 208, wie nachstehend beschrieben wird) an der Schnittstelle der Nase 24 und der Schweißseite 14. Wenn sie kugelförmig abgeschnitten ist, liegt der Krümmungsradius der Nase 24 vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm.
Die Schweißseite 14 weist eine mehrstufige konische Geometrie auf, die eine Folge von Stufen 28 enthält, die auf eine Schweißseitenachse 30 zentriert sind und innerhalb eines Außenumfangs 32 der Schweißseite 14 enthalten sind. Der Außenumfang 32 der Schweißseite weist einen Durchmesser 34 auf, der vorzugsweise in einem Bereich von 6 mm bis 20 mm liegt, und enger gefasst zwischen 8 mm und 15 mm, und er kann relativ zu dem Vorderende 16 des Elektrodenkörpers 12 auf verschiedene Weisen orientiert sein. Zum Beispiel kann der Außenumfang 32 der Schweißseite 14, wie hier in 1–2 gezeigt ist, parallel zu dem Vorderende 16 des Elektrodenkörpers 12 sein, wobei in diesem Fall die Schweißseitenachse 30 zu einer Achse des Elektrodenkörpers 12 parallel und damit kollinear ausgerichtet sein kann, oder diese beiden Achsen können versetzt sein, etwa in dem Fall einer zweifach gebogenen Schweißelektrode. In anderen Ausführungsformen jedoch kann der Außenumfang 32 der Schweißseite 14 relativ zu dem Vorderende 16 des Elektrodenkörpers 12 geneigt sein, wobei in diesem Fall die Schweißseitenachse 30 und eine Achse des Elektrodenkörpers 12 mit Bezug zueinander gewinkelt sind. Die letztere Konfiguration der Punktschweißelektrode 10 kann verwendet werden, um zum Erlangen eines Zugriffs auf eine Schweißzone des Werkstückstapels beizutragen, die andernfalls schwer zu erreichen wäre.
Die Folge von Stufen 28 auf der Schweißseite 14 enthält eine innerste erste Stufe 36 in der Form eines zentralen Plateaus 38 und zusätzlich eine oder mehrere kreisringförmige Stufen 40, die das zentrale Plateau 38 umgeben und von dem Plateau 38 aus radial nach außen zu dem äußeren Schweißseitenumfang 32 hin stufenförmig abfallen. Das zentrale Plateau 38 enthält eine obere Plateauoberfläche 42 und eine umlaufende Plateauseitenoberfläche 44, wie in 2–3 am besten gezeigt ist. Analog enthält jede der einen oder der mehreren kreisringförmigen Stufen 40 eine obere Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe und eine umlaufende Stufenseitenoberfläche 48. Der Übergang zwischen der oberen Plateauoberfläche 42 und der umlaufenden Plateauseitenoberfläche 44 sowie zwischen der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe und der umlaufenden Stufenseitenoberfläche 48 jeder kreisringförmigen Stufe 40 ist vorzugsweise eine definierte Kante oder ein abgerundeter Absatz mit einem Krümmungsradius, der in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm oder enger gefasst zwischen 50 μm und 200 μm liegt. Um das zentrale Plateau 38 herum können zwischen ein und zehn kreisringförmige Stufen 40 auf der Schweißseite 14 enthalten sein, wobei in vielen Instanzen zwei bis sechs kreisringförmige Stufen 40 bevorzugt sind.
Das zentrale Plateau 38 und die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen 40 sind ausgehend von der Plateauseitenoberfläche 44 zueinander benachbart. In dieser Hinsicht erstreckt sich die obere Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder kreisringförmigen Stufe 40 radial nach außen von der Stufenseitenoberfläche 48 ihrer radial nach innen benachbarten kreisringförmigen Stufe 40 (oder von der Plateauseitenoberfläche 44 in dem Fall der kreisringförmigen Stufe 40, die das zentrale Plateau 38 unmittelbar umgibt). Zum Beispiel enthält in der Ausführungsform, die hier in 1–2 gezeigt ist, die Schweißseite 14 drei kreisringförmige Stufen 40, die das zentrale Plateau 38 umgeben. Insbesondere ist die erste kreisringförmige Stufe 40' zu dem zentralen Plateau 38 der innersten ersten Stufe 36 benachbart und sie enthält eine erste obere Oberfläche 46' einer kreisringförmigen Stufe, die sich von der Plateauseitenoberfläche 44 aus radial nach außen zu einer ersten Stufenseitenoberfläche 48' erstreckt. Damit fortfahrend ist eine zweite kreisringförmige Stufe 40'' zu der ersten kreisringförmigen Stufe 40' benachbart und sie enthält eine zweite obere Oberfläche 46'' einer kreisringförmigen Stufe, die sich von der ersten Stufenseitenoberfläche 48' der ersten kreisringförmigen Stufe 40' aus radial nach außen zu einer zweiten Stufenseitenoberfläche 48'' erstreckt. Auf die gleiche Weise ist eine dritte kreisringförmige Stufe 40''' zu der zweiten kreisringförmigen Stufe 40'' benachbart und enthält eine dritte obere Oberfläche 46''' einer kreisringförmigen Stufe, die sich von der zweiten Stufenseitenoberfläche 48'' der zweiten kreisringförmigen Stufe 40'' radial nach außen zu einer dritten Stufenseitenoberfläche 48''' erstreckt. Beliebige zusätzliche kreisringförmige Stufen 40, die auf der Schweißseite 14 außerhalb der dritten kreisringförmigen Stufe 40''' vorhanden sein können, sind auf die gleiche Weise zu ihrer radial nach innen benachbarten kreisringförmigen Stufe 40 benachbart.
Die innerste erste Stufe 36 und die eine oder die mehreren umlaufenden kreisringförmigen Stufen 40 sind relativ zueinander an der Schweißseite 14 dimensioniert und ausgerichtet, um zur Unterstützung des Punktschweißgesamtprozesses beizutragen und um feste und zuverlässige Schweißfügestellen zwischen einem Werkstück aus Aluminium und einem angrenzenden Werkstück aus Stahl innerhalb des Werkstückstapels zu erhalten, der einem Punktschweißen unterzogen wird. Die obere Plateauoberfläche 42 kann beispielsweise in Draufsicht kreisförmig sein und einen Durchmesser 421 aufweisen, der in einem Bereich von 2 mm bis 8 mm oder enger gefasst von 3 mm bis 6 mm liegt, obwohl auf Wunsch andere Profile verwendet werden können. Darüber hinaus kann die obere Plateauoberfläche 42 hinsichtlich ihrer Krümmung planar sein oder sie kann konvex gewölbt sein. Wenn die obere Plateauoberfläche 42 konvex gewölbt ist, kann sie beispielsweise kugelförmig mit einem Krümmungsradius gewölbt sein, der vorzugsweise in einem Bereich von 15 mm bis 300 mm oder enger gefasst von 20 mm bis 200 mm liegt. Wenn sie mit diesen Größen- und Krümmungsdimensionen versehen ist, ist die obere Plateauoberfläche 42 in der Lage, zu Beginn den Druck, der durch die Punktschweißelektrode 10 ausgeübt wird, auf eine begrenztere Fläche des Werkstückstapels zu konzentrieren und zu lenken, um organisches Material, etwa beispielsweise einen nicht ausgehärteten Strukturklebstoff, wenn ein derartiges organisches Material vorhanden ist, aus zumindest einer zentralen Fläche der Schweißzone seitlich zu verschieben und im Wesentlichen zu beseitigen, wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird.
Die Plateauseitenoberfläche 44, welche die obere Plateauoberfläche 42 umgibt und sich nach unten erstreckt, weist eine Höhe 441 auf, die vorzugsweise in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm oder enger gefasst von 50 μm bis 250 μm liegt, wie in 3 gezeigt ist. Diese Höhendimension 441 – auch als Stufengröße des zentralen Plateaus 38 bezeichnet – wird als die Distanz zwischen den nächstgelegenen Punkten auf der oberen Plateauoberfläche 42 und auf der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe der unmittelbar umgebenden kreisringförmigen Stufe 40 (z. B. der oberen Oberfläche 46' der kreisringförmigen Stufe der zweiten kreisringförmigen Stufe 40') parallel zu der Schweißseitenachse 30 gemessen. Und um ein Zurückziehen der Schweißseite 14 aus in Eingriff stehenden Werkstückstapeloberflächen zu fördern, kann sich die Plateauseitenoberfläche 44 radial nach außen aufweiten, während sie sich von der oberen Plateauoberfläche 42 zu der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe der unmittelbar umgebenden kreisringförmigen Stufe 40 erstreckt, wie in 3 am besten gezeigt ist. Das Ausmaß der Neigung der Plateauseitenoberfläche 44 kann durch einen Neigungswinkel 50 gemessen werden, welcher der Winkel ist, um welchen die Plateauseitenoberfläche 44 von der Linie 52 abweicht, die parallel zu der Schweißseitenachse 30 verläuft und die obere Plateauoberfläche 42 an dem Außenumfang 32 der Schweißseite 14 schneidet. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Neigungswinkel 50 der Plateauseitenoberfläche 44 in einem Bereich von 5° bis 60° oder enger gefasst von 20° bis 50°.
Mit Bezug nun speziell auf 1–2 ist die obere Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder kreisringförmigen Stufe 40 axial (entlang der Schweißseitenachse 30) unter die obere Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe ihrer radial nach innen benachbarten kreisringförmigen Stufe 40 versetzt, oder im Fall der kreisringförmigen Stufe 40, die das zentrale Plateau 38 unmittelbar umgibt, zu der oberen Plateauoberfläche 42. Die obere Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder der kreisringförmigen Stufen 40 weist eine Breite 461 auf, die sich von der Stufenseitenoberfläche 48 ihrer radial nach innen benachbarten kreisringförmigen Stufe 40 aus (oder von der Plateauseitenoberfläche 44 aus in dem Fall der kreisringförmigen Stufe 40, die das zentrale Plateau 38 unmittelbar umgibt), zu ihrer eigenen Stufenseitenoberfläche 48 erstreckt, die sich von der oberen Oberfläche 46 der kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt. Die Breite 461 jeder der oberen Oberflächen 46 einer kreisringförmigen Stufe liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,3 mm bis 2,0 mm oder enger gefasst von 0,5 mm bis 1,5 mm. Und im Hinblick auf die Krümmung kann die obere Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder kreisringförmigen Stufe 40 planar sein oder sie kann einen kugelförmigen Krümmungsradius aufweisen, der vorzugsweise in einem Bereich von 50 mm bis 300 mm oder enger gefasst von 75 mm bis 200 mm liegt.
Die Stufenseitenoberfläche 48 von jeder der kreisringförmigen Stufen 40 ist ähnlich wie die Plateauseitenoberfläche 44 des zentralen Plateaus 38 gestaltet. Beispielsweise weist jede der Stufenseitenoberflächen 48 eine Höhe 481 auf, die auf die gleiche Weise wie die Plateauseitenoberfläche 44 gemessen wird (d. h. die Distanz zwischen den nächstgelegenen Punkten der relevanten oberen Oberflächen 46 einer kreisringförmigen Stufe parallel zu der Schweißseitenachse 30), die vorzugsweise in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm oder enger gefasst von 50 μm bis 250 μm liegt. Zudem kann sich jede der Stufenseitenoberflächen 48 radial nach außen aufweiten, während sie sich von der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe ihrer jeweiligen kreisringförmigen Stufe 40 aus zu der oberen Oberfläche 46 der kreisringförmigen Stufe der nächsten unmittelbar umlaufenden und axial nach unten versetzten kreisringförmigen Stufe 40 erstreckt. Das Ausmaß der Neigung der Stufenseitenoberflächen 48 kann durch den gleichen Neigungswinkel 50 gemessen werden, der in 3 gezeigt und vorstehend im Kontext der Plateauseitenoberfläche 44 beschrieben ist. Die vorherige Erörterung des Neigungswinkels 40 trifft folglich gleichermaßen auf jede der Stufenseitenoberflächen 48 der kreisringförmigen Stufen 40 zu und die Tatsache, dass 3 den Neigungswinkel 50 im Kontext der Plateauseitenoberfläche 44 demonstriert, macht keinen Unterschied. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Neigungswinkel 50 von jeder Stufenseitenoberflächen 48 in einem Bereich von 5° bis 60° oder enger gefasst von 20° bis 50°.
Eine erwähnenswerte geometrische Eigenschaft der Punktschweißelektrode 10 ist das Querschnittsprofil der Schweißseite 14, wie es in 12 am besten dargestellt ist. In der Tat sind das zentrale Plateau 38 und die eine oder die mehreren umlaufenden kreisringförmigen Stufen 40 angeordnet, um die Schweißseite 14 mit einem im Querschnitt konischen Schweißseitenprofil zu versehen, um zum Unterstützen der anfänglichen Druckkonzentration durch das zentrale Plateau beizutragen, gefolgt von dem Aufbringen von radial nach außen gerichteten Druckkräften, wenn die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen 40 nacheinander in Kontakt mit dem Werkstückstapel gebracht werden, und um außerdem das anwachsende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu enthalten. Das im Querschnitt konische Schweißseitenprofil wird hergestellt, wenn ein äußerer Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 42 und ein äußerer Rand 56 der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen 40 in einem konischen Schnittbereich 200 enthalten sind, der durch eine obere lineare Begrenzungslinie 202 und eine untere lineare Begrenzungslinie 204 definiert ist. Die obere lineare Begrenzungslinie 202 und die untere lineare Begrenzungslinie schneiden sich an dem äußeren Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 42 und erstrecken sich von einer horizontalen Ebene 206 aus, die sich durch den äußeren Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 42 und von diesem aus erstreckt, nach unten und nach außen zu einer horizontalen Ebene 208, die sich durch und von dem Außenumfang 32 der Schweißseite 14 aus erstreckt. Die obere lineare Begrenzungslinie 202 ist unter einem Winkel α zu der horizontalen Ebene 206 geneigt, die sich von dem äußeren Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 42 aus erstreckt, und die untere lineare Begrenzungslinie 204 ist unter einem Winkel β von der gleichen horizontalen Ebene 60 aus geneigt. Der Neigungswinkel der oberen linearen Begrenzungslinie 202 (Winkel α) beträgt 5% und der Neigungswinkel der unteren linearen Begrenzungslinie 204 (Winkel β) beträgt 15°. Wenn alternativ ein engerer konischer Schnittbereich 200 gewünscht wird, betragen diese Winkel α, β 7° bzw. 12°.
Der äußere Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 42 und der äußere Rand 56 der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen 40 können in dem konischen Schnittbereich 200 ausgerichtet sein oder nicht. Beispielsweise sind in einer speziellen Ausführungsform und wie in 2 gezeigt ist, der äußere Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 52 und der äußere Rand 56 der oberen Oberfläche 46 einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder der mehreren kreisringförmigen Stufen 40 entlang einer linearen Tangentenlinie 58 mit konstanter Steigung ausgerichtet; das heißt, dass die äußersten radialen Abschnitte der oberen Plateauoberfläche 42 und der oberen Oberflächen 46 einer kreisringförmigen Stufe von der linearen Tangentenlinie 58 selbstverständlich innerhalb von akzeptierbaren Fertigungstoleranzen von ±0,1 mm geschnitten werden. Die Tangentenlinie 58, die das im Querschnitt konische Schweißseitenprofil herstellt, kann zu der horizontalen Ebene 206, die sich von dem äußeren Rand 54 der oberen Plateauoberfläche 42 aus erstreckt, um einen Winkel 62 geneigt sein, der vorzugsweise in einem Bereich von 5° bis 15° oder enger gefasst von 7° bis 12° liegt. Folglich kann die lineare Tangentenlinie 58 kollinear mit der oberen linearen Begrenzungslinie 202 sein, kollinear mit der unteren linearen Begrenzungslinie 204 sein oder irgendwo zwischen der oberen linearen Begrenzungslinie 202 und der unteren linearen Begrenzungslinie 204 liegen. Darüber hinaus kann in einigen Fällen, und wie hier in 2 gezeigt ist, die Tangentenlinie 58 außerdem den Außenumfang 32 der Schweißseite 14 schneiden.
Zumindest die Schweißseite 14 der Punktschweißelektrode 10 und vorzugsweise die gesamte Punktschweißelektrode 10 einschließlich des Elektrodenkörpers 12, der Schweißseite 14 und falls vorhanden, der Übergangsnase 24 ist aus einem Material aufgebaut, das eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 45% IACS und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 180 W/mK aufweist. Einige Materialklassen, welche diese Kriterien erfüllen, umfassen eine Kupferlegierung, ein dispersionsverstärktes Kupfermaterial und ein hitzebeständiges Material, das mindestens 35% Gewichtsanteil und vorzugsweise mindestens 50% Gewichtsanteil eines hitzebeständigen Metalls enthält. Spezielle Beispiele für geeignete Kupferlegierungen umfassen eine C15000 Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr-Legierung), eine C18200 Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr-Legierung) und eine C18150 Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr-Legierung). Ein spezielles Beispiel für ein dispersionsverstärktes Kupfermaterial umfasst Kupfer mit eingestreutem Aluminiumoxid. Und ein spezielles Beispiel für ein hitzebeständiges Material umfasst einen Wolfram-Kupfer-Metallverbund, der zwischen 50% Gewichtsanteil und 90% Gewichtsanteil einer Wolframpartikelphase enthält, die in einer Kupfermatrix verteilt ist, welche den Rest (zwischen 50% Gewichtsanteil und 10% Gewichtsanteil) des Verbundes bildet. Andere Materialien, die hier nicht ausdrücklich erwähnt sind, welche die anwendbaren elektrischen und thermischen Leitfähigkeitsstandards erfüllen, können selbstverständlich ebenfalls verwendet werden.
Mit Bezug nun auf 4–10 kann die Punktschweißelektrode 10 verwendet werden, um eine Widerstandspunktschweißung eines Werkstückstapels 70 durchzuführen, der mindestens ein Werkstück 72 aus Aluminium und ein Werkstück 74 aus Stahl umfasst, die sich überlappen und aneinander angrenzend an einer Schweißzone 76 liegen. In der Tat ist das offenbarte Punktschweißverfahren, wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, großflächig auf eine große Vielfalt von Werkstückstapelkonfigurationen anwendbar, welche das aneinander angrenzende Paar aus Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl umfassen. Der Werkstückstapel 70 kann beispielsweise nur das Werkstück 72 aus Aluminium und das Werkstück 74 aus Stahl enthalten, sofern die Anzahl der Werkstücke betrachtet wird, oder er kann ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium (Aluminium-Aluminium-Stahl) oder ein zusätzliches Werkstück aus Stahl (Aluminium-Stahl-Stahl) enthalten, solange die beiden Werkstücke mit der gleichen Grundmetallzusammensetzung in dem Werkstückstapel 70 nebeneinander angeordnet sind. Der Werkstückstapel 70 kann sogar mehr als drei Werkstücke enthalten, etwa einen Aluminium-Aluminium-Stahl-Stahl-Stapel, einen Aluminium-Aluminium-Aluminium-Stahl-Stapel oder einen Aluminium-Stahl-Stahl-Stahl-Stapel. Die Werkstückstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl können bearbeitet oder verformt werden, vor oder nachdem sie zu dem Werkstückstapel 70 zusammengesetzt wurden, in Abhängigkeit von dem Teil, das hergestellt wird und den Eigenheiten des gesamten Fertigungsprozesses.
Der Werkstückstapel 70 ist in 4 zusammen mit der Punktschweißelektrode 10, die vorstehend beschrieben ist (hier nachstehend als die ”erste Punktschweißelektrode” zu Identifikationszwecken bezeichnet) und einer zweiten Punktschweißelektrode 78, welche mechanisch und elektrisch auf einer Schweißzange 80 konfiguriert sind (teilweise gezeigt), veranschaulicht. Der Werkstückstapel 70 weist eine erste Seite 82 auf, die durch eine Oberfläche 82' eines Werkstücks aus Aluminium bereitgestellt wird, und eine zweite Seite 84, die durch eine Oberfläche 84' eines Werkstücks aus Stahl bereitgestellt wird. Die beiden Seiten 82, 84 des Werkstückstapels 70 sind an der Schweißzone 76 für den Satz aus der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 10, 78 zugänglich; das heißt, dass die erste Punktschweißelektrode 10 angeordnet ist, um einen Kontakt mit der ersten Seite 82 des Werkstückstapels 70 herzustellen und dagegen gedrückt zu werden, während die zweite Punktschweißelektrode 78 angeordnet ist, um einen Kontakt mit der zweiten Seite 84 herzustellen und dagegen gedrückt zu werden. Und obwohl nur eine Schweißzone 76 in den Figuren dargestellt ist, wird der Fachmann feststellen, dass ein Punktschweißen in Übereinstimmung mit dem offenbarten Verfahren an mehreren verschiedenen Schweißzonen 76 innerhalb des gleichen Stapels 70 ausgeführt werden kann.
Das Werkstück 72 aus Aluminium enthält ein Aluminiumsubstrat, das entweder beschichtet oder unbeschichtet ist. Das Aluminiumsubstrat kann aus nicht legiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Aluminium enthält. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, die das beschichtete oder unbeschichtete Aluminiumsubstrat bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung und eine Aluminium-Zink-Legierung. Das Aluminiumsubstrat kann, wenn es beschichtet ist, eine Oberflächenschicht enthalten, die aus hitzebeständigem Oxidmaterial besteht, etwa einer nativen Oxidbeschichtung, die sich natürlich ausbildet, wenn das Aluminiumsubstrat Luft ausgesetzt wird, und/oder eine Oxidschicht, die erzeugt wird, während das Aluminiumsubstrat bei der Herstellung erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, z. B. eine Walzhaut. Das hitzebeständige Oxidmaterial umfasst typischerweise Aluminiumoxidverbindungen und möglicherweise auch andere Oxidverbindungen, etwa Magnesiumoxidverbindungen, wenn beispielsweise das Aluminiumsubstrat eine Aluminium-Magnesium-Legierung ist. Das Aluminiumsubstrat kann außerdem mit einer Schicht aus Zink, Zinn oder einer Metalloxid-Konversionsbeschichtung beschichtet sein, die Oxide aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium umfasst, wie in der US-Patentveröffentlichung mit der Nr. 2014/0360986 beschrieben ist. Die Oberflächenschicht kann eine Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 μm in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung aufweisen und sie kann an jeder Seite des Aluminiumsubstrats vorhanden sein. Wenn die Dicke des Aluminiumsubstrats und jede Oberflächenschicht, die vorhanden sein kann, berücksichtigt wird, weist das Werkstück 72 aus Aluminium eine Dicke 721 auf, die in einem Bereich von 0,3 mm bis etwa 6,0 mm liegt, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest am Schweißort 76.
Das Aluminiumsubstrat des Werkstücks 72 aus Aluminium kann in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann das Aluminiumsubstrat aus einer geschmiedeten Aluminiumlegierungsblechschicht, einem Extrusionsartikel, einem Schmiedeartikel oder einem anderen bearbeiteten Artikel einer 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- oder 7xxx-Reihe bestehen. Alternativ kann das Aluminiumsubstrat aus einem Aluminiumlegierungsguss einer 4xx.x-, 5xx.x-, 6xx.x- oder 7xx.x-Reihe bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, welche das Aluminiumsubstrat bilden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine AA5754- und eine AA5182-Aluminium-Magnesium-Legierung, eine AA6111- und eine AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine AA7003- und eine AA7055-Aluminium-Zink-Legierung und eine Al-10Si-Mg-Aluminiumgusslegierung. Das Aluminiumsubstrat kann ferner wenn gewünscht in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, die getempert (O), Kalthärten (H) und lösungswärmebehandelt (T) umfassen. Der Begriff ”Werkstück aus Aluminium” umfasst folglich, wie er hier verwendet wird, unlegiertes Aluminium und eine große Vielfalt von Aluminiumlegierungen, seien sie beschichtet oder nicht beschichtet, in verschiedenen punktschweißbaren Formen, welche geschmiedete Blechschichten, Extrusionen, Schmiedeteile usw. sowie Gussteile umfassen.
Das Werkstück 74 aus Stahl enthält ein Stahlsubstrat mit beliebigen einer großen Vielfalt von Festigkeiten und Graden, welches entweder beschichtet oder unbeschichtet ist. Das Stahlsubstrat kann warmgewalzt oder kaltgewalzt sein und kann aus einem Stahl bestehen, etwa einem Weichstahl, einem von Zwischengitteratomen freien Stahl, einem durch Glühen härtbaren Stahl, einem hochfesten Stahl mit niedriger Legierung (HSLA-Stahl), einem Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einem Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einem Martensitstahl (MART-Stahl), einem Stahl mit durch Umwandlung bewirkter Plastizität (TRIP-Stahl), einem Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und einem Bor-Stahl, etwa wenn das Werkstück 74 aus Stahl einen druckgehärteten Stahl (PHS-Stahl) enthält. Bevorzugte Zusammensetzungen des Stahlsubstrats umfassen jedoch Weichstahl, Zweiphasenstahl und Bor-Stahl, der bei der Herstellung von druckgehärtetem Stahl verwendet wird. Diese drei Arten von Stahl wiesen höchste Zugfestigkeiten auf, die jeweils in einem Bereich von 150 MPa bis 500 MPa, von 500 MPa bis 1100 MPa und von 1200 MPa bis 1800 MPa liegen.
Das Werkstück 74 aus Stahl kann auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Stahlsubstrats eine Oberflächenschicht enthalten. Wenn das Stahlsubstrat beschichtet ist, enthält es vorzugsweise eine Oberflächenschicht aus Zink (z. B. feuerverzinkt), aus einer Zink-Eisen-Legierung (z. B. galvanisiert oder elektrisch angelagert), einer Zink-Nickel-Legierung (z. B. elektrisch angelagert), Nickel, Aluminium, einer Aluminium-Magnesium-Legierung, einer Aluminium-Zink-Legierung oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, von denen jede eine Dicke bis zu 50 μm auf jeder Seite des Stahlsubstrats aufweisen kann. Wenn die Dicke des Stahlsubstrats und jeder Oberflächenschicht, die vorhanden sein kann, berücksichtigt wird, weist das Werkstück 74 aus Stahl eine Dicke 741 auf, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm oder enger gefasst von 0,6 mm bis 2,5 mm zumindest am Schweißort 76 liegt. Der Begriff ”Werkstück aus Stahl”, umfasst folglich, so wie er hier verwendet wird, eine große Vielfalt von Stahlsubstraten, seien sie beschichtet oder unbeschichtet, mit unterschiedlichen Graden und Festigkeiten.
Wenn die zwei Werkstücke 72, 74 zum Punktschweißen im Kontext einer Ausführungsform mit einem ”2T”-Stapel gestapelt sind, was in 4–5 veranschaulicht ist, stellen das Werkstück 72 aus Aluminium und das Werkstück 74 aus Stahl die erste bzw. zweite Seite 82, 84 des Werkstückstapels dar. Im Speziellen enthält das Werkstück 72 aus Aluminium eine Stoßoberfläche 86 und eine rückseitige Oberfläche 88 und analog enthält das Werkstück 74 aus Stahl eine Stoßoberfläche 90 und eine rückseitige Oberfläche 92. Die Stoßoberflächen 86, 90 der beiden Werkstücke 72, 74 überlagern einander und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 94 herzustellen, die sich durch die Schweißzone 76 hindurch erstreckt und welche optional eine Zwischenschicht 96 aus organischem Material umfassen kann, die zwischen den Stoßflächen 86, 90 aufgebracht ist. Die rückseitigen Oberflächen 88, 92 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl andererseits weisen bei der Schweißzone 76 voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden jeweils die Oberfläche 82' des Werkstücks aus Aluminium und die Oberfläche 84' des Werkstücks aus Stahl der ersten und zweiten Seite 82, 84 des Werkstückstapels 70.
Die Zwischenschicht 96 aus organischem Material, die zwischen den Stoßoberflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl vorhanden sein kann, kann eine Klebstoffschicht sein, die eine durch Wärme aushärtbare Struktur-Klebstoffmatrix enthält. Die eine durch Wärme aushärtbare Struktur – Klebstoffmatrix kann ein beliebiger aushärtbarer Strukturklebstoff sein, der beispielsweise ein durch Wärme aushärtbares Epoxidharz oder ein durch Wärme aushärtbares Polyurethan sein kann. Einige spezielle Beispiele für durch Wärme aushärtbare Strukturklebstoffe, die als die eine durch Wärme aushärtbare Klebstoffmatrix verwendet werden können, umfassen DOW Betamate 1486, Henkel Terokal 5089 und Uniseal 2343, welche alle kommerziell erhältlich sind. Zudem kann die Klebstoffschicht ferner optionale Füllpartikel enthalten, etwa Siliziumoxid-Partikel, die über die gesamte eine durch Wärme aushärtbare Klebstoffmatrix verteilt sind, um die Viskosität oder andere mechanische Eigenschaften der Klebstoffschicht zu Herstellungsoperationen zu modifizieren. Zusätzlich zu einer Klebstoffschicht kann die Zwischenschicht 96 aus organischem Material andere organische Materialschichten enthalten, etwa eine Geräuschdämpfungsschicht oder einen organischen Dichtstoff, um nur wenige weitere Möglichkeiten zu erwähnen.
Die Zwischenschicht 96 aus organischem Material kann, wenn sie vorhanden ist, bei den Temperaturen und Elektrodenklemmdrücken, die bei der Schweißzone 76 während eines Stromflusses zwischen den Punktschweißelektroden 10, 78 erreicht werden, punktgeschweißt werden. Bei Punktschweißbedingungen wird die Zwischenschicht 96 aus organischem Material mit Hilfe der mehrstufigen konischen Geometrie der ersten Punktschweißelektrode 10 seitlich verschoben, so dass sehr wenig, falls überhaupt, organisches Material während des Stromflusses innerhalb der Schweißzone 76 thermisch zerlegt wird, so dass nur minimale, falls überhaupt, Restmaterialien (z. B. Kohlenstoffasche, Füllpartikel usw.) in der Nähe der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl erzeugt werden. Außerhalb der Schweißzone 76 jedoch bleibt die Zwischenschicht 96 aus organischem Material allgemein ungestört. Folglich ist im Fall einer Klebstoffschicht der nicht gestörte Klebstoff außerhalb der Schweißzone 76 in der Lage, eine zusätzliche Haftung zwischen den Stoßoberflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl bereitzustellen. Um diese zusätzliche Haftung zu erreichen, kann der Werkstückstapel 70 in einem ELPO-Backofen oder einer anderen Heizvorrichtung nach dem Punktschweißen erwärmt werden, um die eine durch Wärme aushärtbare Struktur-Klebstoffmatrix der Klebstoffschicht auszuhärten, die außerhalb der und um die Schweißzonen 76 herum immer noch intakt ist.
Der Ausdruck ”Stoßschnittstelle 94'' wird in der vorliegenden Offenbarung folglich weit gefasst verwendet und soll jede einander überlappende und gegenüberliegende Beziehung zwischen den Stoßoberflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 umfassen, bei welcher ein Widerstandspunktschweißen praktiziert werden kann. Die Stoßoberflächen 86, 90 können beispielsweise in direktem Kontakt miteinander stehen, so dass sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind (d. h. die Zwischenschicht 96 aus organischem Material ist nicht vorhanden). Als weiteres Beispiel können die Stoßoberflächen 86, 90 in indirektem Kontakt miteinander stehen, etwa, wenn sie durch die Zwischenschicht 96 aus organischem Material getrennt sind – und daher nicht den Typ einer physikalischen Schnittstellenangrenzung, der bei direktem Kontakt angetroffen wird, erfahren – jedoch in einer ausreichend großen Nähe zueinander stehen, sodass ein Widerstandspunktschweißen immer noch praktiziert werden kann. Diese Art von indirektem Kontakt zwischen den Stoßoberflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl ergibt sich typischerweise, wenn die Zwischenschicht 96 aus organischem Material zwischen den Stoßoberflächen 86, 90 zumindest innerhalb der Schweißzone 76 mit einer Dicke aufgebracht wird, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm oder enger gefasst von 0,2 mm bis 1,0 mm liegt.
Selbstverständlich ist der Werkstückstapel 70, wie in 6–7 gezeigt ist, nicht auf die Aufnahme von nur dem Werkstück 72 aus Aluminium und dem angrenzenden Werkstück 74 aus Stahl begrenzt, sofern die Anzahl der Werkstücke betrachtet wird. Der Werkstückstapel 70 kann außerdem mindestens ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium oder ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthalten – zusätzlich zu den aneinander angrenzenden Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl – solange das zusätzliche Werkstück angrenzend an das Werkstück 72, 74 mit der gleichen Grundmaterialzusammensetzung angeordnet ist; das heißt, ein beliebiges zusätzliches Werkstück aus Aluminium ist angrenzend an das Werkstück 72 aus Aluminium gegenüber der Stoßschnittstelle 94 angeordnet und ein beliebiges zusätzliches Werkstück aus Stahl ist angrenzend an das Werkstück 74 aus Stahl gegenüber der Stoßschnittstelle 94 angeordnet. Hinsichtlich der Eigenschaften der zusätzlichen Werkstücke können die vorstehend bereitgestellten Beschreibungen des Werkstücks 72 aus Aluminium und des Werkstücks 74 aus Stahl auf ein beliebiges zusätzliches Werkstück aus Aluminium oder ein beliebiges zusätzliches Werkstück aus Stahl angewendet werden, die in dem Werkstückstapel 70 enthalten sein können. Jedoch sei erwähnt, dass, obwohl die gleichen allgemeinen Beschreibungen zutreffen, es nicht erforderlich ist, dass die zusätzlichen Werkstücke aus Aluminium und/oder die zusätzlichen Werkstücke aus Stahl hinsichtlich der Zusammensetzung, der Dicke oder der Form (z. B. geschmiedet oder gegossen) identisch zu dem Werkstück 72 aus Aluminium bzw. dem Werkstück 74 aus Stahl sind, die innerhalb des Werkstückstapels 70 nebeneinanderliegen.
Wie beispielsweise in 6 gezeigt ist, kann der Werkstückstapel 70 die vorstehend beschriebenen aneinander grenzenden Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl zusammen mit einem zusätzlichen Werkstück 98 aus Aluminium enthalten. Hier überlappt sich, wie gezeigt, das zusätzliche Werkstück 98 aus Aluminium mit den aneinander angrenzenden Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl und liegt neben dem Werkstück 72 aus Aluminium. Wenn das zusätzliche Werkstück 98 aus Aluminium so positioniert ist, bildet die rückseitige Oberfläche 92 des Werkstücks 74 aus Stahl die Oberfläche 84' des Werkstücks aus Stahl, welche wie zuvor die zweite Seite 84 des Werkstückstapels 70 bereitstellt, während das Werkstück 72 aus Aluminium, das angrenzend an das Werkstück 74 aus Stahl liegt, nun ein Paar entgegengesetzter Stoßoberflächen 86, 100 enthält. Die Stoßoberfläche 86 des Werkstücks 72 aus Aluminium, die der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl zugewandt ist, stellt wie vorstehend beschrieben weiterhin die Stoßschnittstelle 94 zwischen den beiden Werkstücken 72, 74 her. Die andere Stoßoberfläche 100 des Werkstücks 72 aus Aluminium überlappt und liegt gegenüber einer Stoßoberfläche 102 des zusätzlichen Werkstücks 98 aus Aluminium. Daher bildet nun in dieser speziellen Anordnung von sich überlagernden Werkstücken 98, 72, 74 eine rückseitige Oberfläche 104 des zusätzlichen Werkstücks 98 aus Aluminium die Oberfläche 82' des Werkstücks aus Aluminium, die die erste Seite 82 des Werkstückstapels 70 bereitstellt.
In einem weiteren Beispiel kann der Werkstückstapel 70, wie in 7 gezeigt ist, die vorstehend beschriebenen aneinander angrenzenden Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl zusammen mit einem zusätzlichen Werkstück 106 aus Stahl enthalten. Hier überlappt sich, wie gezeigt, das zusätzliche Werkstück 106 aus Stahl mit den aneinander angrenzenden Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl und liegt neben dem Werkstück 74 aus Stahl. Wenn das zusätzliche Werkstück 106 aus Stahl so positioniert ist, bildet die rückseitige Oberfläche 88 des Werkstücks 72 aus Aluminium die Oberfläche 82' des Werkstücks aus Aluminium, die wie zuvor die erste Seite 82 des Werkstückstapels 70 bereitstellt, während das Werkstück 74 aus Stahl, das angrenzend an das Werkstück 72 aus Aluminium liegt, nun ein Paar von entgegengesetzten Stoßoberflächen 90, 108 enthält. Die Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl, die der Stoßoberfläche 86 des Werkstücks 72 aus Aluminium zugewandt ist, bildet weiterhin die Stoßschnittstelle 94 zwischen den beiden Werkstücken 72, 74 wie zuvor beschrieben. Die andere Stoßoberfläche 108 des Werkstücks 74 aus Stahl überlappt sich mit und liegt gegenüber einer Stoßoberfläche 110 des zusätzlichen Werkstücks 106 aus Stahl. Folglich bildet nun bei dieser speziellen Anordnung von sich überlappenden Werkstücken 72, 74, 106 eine rückseitige Oberfläche 112 des zusätzlichen Werkstücks 106 aus Stahl die Oberfläche 84' des Werkstücks aus Stahl, welche die zweite Seite 84 des Werkstückstapels 70 bereitstellt.
Nun wieder mit Bezug auf 4 werden die erste Punktschweißelektrode 10 und die zweite Punktschweißelektrode 78 verwendet, um einen elektrischen Strom durch den Werkstückstapel 70 hindurch und bei der Schweißzone 76 über die Stoßschnittstelle 94 der aneinander angrenzenden Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl zu leiten, unabhängig davon, ob ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium und/oder Stahl vorhanden ist. Jede der Punktschweißelektroden 10, 78 wird von der Schweißzange 80 getragen, welche von einem beliebigen geeigneten Typ sein kann, der eine Schweißzange vom C-Typ oder vom X-Typ umfasst. Die Punktschweißoperation kann erfordern, dass die Schweißzange 80 an einem Roboter montiert ist, der in der Lage ist, die Schweißzange 80 nach Bedarf um den Werkstückstapel 70 herum zu bewegen, oder sie kann erfordern, dass die Schweißzange 80 als ein stationärer Podesttyp ausgestaltet ist, bei welchem der Werkstückstapel 70 manipuliert und relativ zu der Schweißzange 80 bewegt wird. Zusätzlich kann die Schweißzange 80, wie hier schematisch veranschaulicht ist, mit einer Stromversorgung 114 verbunden sein, die elektrischen Strom zwischen den Punktschweißelektroden 10, 78 in Übereinstimmung mit einem programmierten Schweißablauf liefert, der von einem Schweißcontroller 116 verwaltet wird. Die Schweißzange 80 kann außerdem mit Kühlmittelleitungen und zugehörigen Steuergeräten ausgestattet sein, um ein Kühlfluid, etwa Wasser, an jede der Punktschweißelektroden 10, 78 zu liefern.
Die Schweißzange 80 enthält einen ersten Zangenarm 118 und einen zweiten Zangenarm 120. Der erste Zangenarm 118 ist mit einem Schaft 122 ausgestattet, der die erste Punktschweißelektrode 10 befestigt und festhält, und der zweite Zangenarm 120 ist mit einem Schaft 124 ausgestattet, der die zweite Punktschweißelektrode 78 befestigt und festhält. Das gesicherte Festhalten der Punktschweißelektroden 10, 78 auf ihren jeweiligen Schäften 122, 124 kann mit Hilfe von Schaftadaptern bewerkstelligt werden, die an axial freien Enden der Schäfte 122, 124 angeordnet sind. Hinsichtlich ihrer Positionierung relativ zu dem Werkstückstapel 70 ist die erste Punktschweißelektrode 10 zum Kontakt mit der ersten Seite 82 des Stapels 70 positioniert und folglich ist die zweite Punktschweißelektrode 78 zum Kontakt mit der zweiten Seite 84 des Stapels 70 positioniert. Der erste und zweite Schweißzangenarm 118, 120 können betrieben werden, um die Punktschweißelektroden 10, 78 aufeinander zu konvergieren zu lassen oder zusammenzukneifen, und um eine Klemmkraft auf den Werkstückstapel 70 an der Schweißzone 76 aufzubringen, sobald die Elektroden 10, 78 in Kontakt zu ihren jeweiligen Werkstückstapelseiten 82, 84 gebracht sind.
Die zweite Punktschweißelektrode 78, die der ersten Punktschweißelektrode 10 gegenüberliegend eingesetzt wird, kann eine beliebige einer großen Vielfalt von Elektrodenkonstruktionen aufweisen. Im Allgemeinen und nun mit Bezug auf 4–5 enthält die zweite Punktschweißelektrode 78 einen Elektrodenkörper 126, eine Schweißseite 128 und optional eine Übergangsnase 130, die zum Versetzen der Schweißseite 128 von einem Vorderende 132 des Elektrodenkörpers 126 nach oben dient. Die Schweißseite 128 ist der Abschnitt der zweiten Punktschweißelektrode 78, der Kontakt mit der zweiten Seite 84 des Werkstückstapels 70 gegenüber der Schweißseite 14 der ersten Punktschweißelektrode 10 während des Punktschweißens herstellt. Mindestens die Schweißseite 128 der zweiten Punktschweißelektrode 78 und vorzugsweise die gesamte Punktschweißelektrode 78 einschließlich des Elektrodenkörpers 126, der Schweißseite 128 und der Übergangsnase 130, sofern sie vorhanden ist, ist aus einem Material aufgebaut, das eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 70% IACS und bevorzugter von mindestens 90% IACS und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK aufweist. Einige Materialien, welche diese Kriterien erfüllen, umfassen eine C15000 Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr-Legierung), eine C18200 Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr-Legierung) und eine C18150 Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr-Legierung) und ein dispersionsverstärktes Kupfermaterial wie etwa Kupfer mit eingestreutem Aluminiumoxid. Andere hier nicht explizit erwähnte Materialien, welche die anwendbaren elektrischen und thermischen Leitfähigkeitsstandards erfüllen, können selbstverständlich ebenfalls verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Punktschweißelektrode 78 ähnlich wie die erste Punktschweißelektrode 10 aufgebaut und folglich sind die vorstehende Beschreibung hinsichtlich der ersten Punktschweißelektrode 10 und die Inhalte von 1–3 hier gleichermaßen anwendbar. Mit anderen Worten weist die Struktur des Elektrodenkörpers 126, der Schweißseite 128 und der optionalen Übergangsnase 130 der zweiten Punktschweißelektrode 78 die gleichen strukturellen Merkmale auf und ist mit der vorstehenden Erörterung hinsichtlich der Struktur des Elektrodenkörpers 12, der Schweißseite 14 und der optionalen Übergangsnase 24 der ersten Punktschweißelektrode 10 konsistent. Und obwohl die zweite Punktschweißelektrode 78 eine ähnliche Struktur wie die erste Punktschweißelektrode 10 aufweisen kann, müssen die erste und zweite Punktschweißelektrode 10, 78 nicht unbedingt identisch und in jeder Facette nicht unterscheidbar sein. Um sicherzugehen, können die erste und zweite Punktschweißelektrode 10, 78 eine ähnliche Struktur gemeinsam nutzen, speziell wenn sie beide eine mehrstufige konische Schweißseitengeometrie verwenden, obwohl sie dennoch einige strukturelle Unterscheidungen aufweisen, die in die zulässigen numerischen Varianzen fallen, die hier detailliert beschrieben wurden.
In einer alternativen Ausführungsform und nun mit Bezug auf 11 kann die zweite Punktschweißelektrode 78 anders als die erste Punktschweißelektrode 10 aufgebaut sein, am erwähnenswertesten in der Geometrie ihrer Schweißseite 128. Im Speziellen weist der Elektrodenkörper 126 der zweiten Punktschweißelektrode 78, der vorzugsweise eine zylindrische Gestalt aufweist, ein Vorderende 132 auf, das die Schweißseite 128 präsentiert und abstützt, und ein Hinterende 134, das die Montage der Elektrode 78 an der Schweißzange 80 ermöglicht. Das Vorderende 132 des Elektrodenkörpers 126 weist einen Durchmesser 1321 auf, der innerhalb des Bereichs von 12 mm bis 22 mm oder enger gefasst innerhalb des Bereichs von 16 mm bis 20 mm liegt, und das Hinterende 134 des Elektrodenkörpers 126 weist einen Durchmesser 1341 auf, der typischerweise gleich dem Durchmesser 1321 des Vorderendes 132 ist, speziell wenn der Elektrodenkörper 126 zylindrisch geformt ist. Darüber hinaus definiert das Hinterende 134 des Elektrodenkörpers 126 eine Öffnung 136 zu einer internen Ausnehmung 138 zum Einführen von und zum Befestigen an einer Elektrodenmontagevorrichtung, etwa eines (nicht gezeigten) Schaftadapters, die die Punktschweißelektrode 78 an dem zweiten Zangenarm 120 der Schweißzange 80 befestigen kann und außerdem ein Strömen von Kühlfluid (z. B. Wasser) durch die interne Ausnehmung 138 ermöglichen kann, um die Temperatur der Elektrode 78 bei Punktschweißoperationen zu verwalten.
Die Schweißseite 128 kann zu dem Vorderende 132 des Elektrodenkörpers 126 durch die Übergangsnase 130 nach oben versetzt sein oder sie kann direkt von dem Vorderende aus 132 übergehen (eine ”Vollseitenelektrode”). Wenn die Übergangsnase 130 vorhanden ist, kann die Schweißseite 128 zu dem vorderen Ende 132 um eine Distanz 140 nach oben versetzt sein, die vorzugsweise zwischen 2 mm und 10 mm liegt. Die Übergangsnase 130 kann eine kegelstumpfförmige oder abgeschnittene kugelförmige Gestalt aufweisen, obwohl andere Gestalten sicherlich möglich sind. Wenn sie kegelstumpfförmig ist, liegt ein Trunkierungswinkel 142 der Nase 130 vorzugsweise zwischen 15° und 40° zu einer horizontalen Ebene an der Schnittstelle der Nase 130 mit der Schweißseite 128. Wenn sie kugelförmig abgeschnitten ist, liegt der Krümmungsradius der Nase 130 vorzugsweise zwischen 6 mm und 12 mm.
Für die zweite Punktschweißelektrode 78 kann ein großer Bereich von Elektrodenschweißseitenkonstruktionen implementiert werden. Die Schweißseite 128 kann beispielsweise einen Durchmesser 144 aufweisen, der in einem Bereich von 3 mm bis 16 mm oder enger gefasst von 4 mm bis 8 mm liegt, und sie kann eine Basisschweißseitenoberfläche 146 enthalten, die entweder planar oder konvex gewölbt ist. Wenn die Basisschweißseitenoberfläche 146 konvex gewölbt ist, steigt sie von ihrem Außenumfang nach oben und nach innen an. In einer Ausführungsform beispielsweise kann die Basisschweißseitenoberfläche 146 kugelförmig gewölbt sein und einen Krümmungsradius aufweisen, der in einem Bereich von 15 mm bis 400 mm oder enger gefasst von 25 mm bis 100 mm liegt. Darüber hinaus kann die Basisschweißseitenoberfläche 146 glatt oder aufgeraut sein oder sie kann eine Reihe von aufrechtstehenden konzentrischen Ringen aus kreisförmigen Graten enthalten, etwa die Grate, die in US-Patenten mit den Nr. 8,222,560 ; 8,436,269 ; 8,927,894 oder in der US-Patentveröffentlichung mit der Nr. 2013/0200048 offenbart sind. Mehrere spezielle Beispiele für zusätzliche Schweißseitenkonstruktionen, die auf der zweiten Punktschweißelektrode 78 verwendet werden können, sind eine Schweißseite mit einer glatten, mit einem Radius von 25 mm kugelförmig gewölbten Basisschweißseitenoberfläche 146 oder eine mit einem Radius von 25 mm kugelförmig gewölbte Basisschweißseitenoberfläche 146 mit von drei bis acht konzentrischen kreisförmigen Ringen aus Graten, die von der Basisschweißseitenoberfläche 146 nach außen vorstehen. Die Grate können Höhen in dem Bereich von 20 μm bis 400 μm aufweisen und abgestumpfte Querschnittsprofile aufweisen, wobei sie auf der Basisschweißseitenoberfläche 146 um eine Distanz radial voneinander beabstandet sind (Mittelpunkt zu Mittelpunkt von benachbarten Graten), die in einem Bereich von 50 μm bis 1800 μm liegt.
Die Stromversorgung 114, die elektrischen Strom zum Durchleiten zwischen der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 10, 78 beim Punktschweißen des Werkstückstapels 70 liefert, ist vorzugsweise eine Gleichstromumrichter-Stromversorgung mit Mittelfrequenz (MFDC), die mit den Punktschweißelektroden 10, 78 elektrisch in Verbindung steht. Eine MFDC-Stromversorgung enthält allgemein einen Umrichter und einen MFDC-Transformator. Ein derartiger Transformator ist von einer Anzahl von Lieferanten kommerziell verfügbar, welche ARO Welding Technologies (US Hauptquartier in Chesterfield Township, MI), RoMan Manufacturing Incorporated (US Hauptquartier in Grand Rapids, MI) und Bosch Rexroth (US Hauptquartier in Charlotte, NC) umfasst. Die MFDC-Umrichterstromversorgung ist ausgestaltet, um einen Gleichstrom (DC) zwischen den Punktschweißelektroden 10, 78 mit Strompegeln bis zu 50 kW zu leiten. Sicherlich können andere Typen von Stromversorgungen verwendet werden, um das offenbarte Verfahren auszuführen, obwohl sie hier nicht explizit identifiziert sind.
Die Stromversorgung 114 wird von dem Schweißcontroller 116 in Übereinstimmung mit einem programmierten Schweißablauf gesteuert, der maßgeschneidert ist, um ein Punktschweißen des Werkstückstapels 10 auszuführen. Der Schweißcontroller 116 ist mit der Stromversorgung 114 gekoppelt und ermöglicht einem Anwender oder Bediener, die Wellenform des elektrischen Stroms einzustellen, der zwischen den Punktschweißelektroden 10, 78 geleitet wird, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze einzuleiten und anwachsen zu lassen, das schließlich zu einer Schweißfügestelle erstarrt, welche die Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl durch Schweißen an der Schweißzone 76 miteinander verbindet.
In der Tat ermöglicht der Schweißcontroller 116 unter anderem eine kundenspezifische Steuerung des Strompegels zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt und der Dauer des Stromflusses bei einem beliebigen gegebenen Strompegel, und ferner ermöglicht er, dass diese Attribute des elektrischen Stroms auf Veränderungen in sehr kleinen Zeitinkrementen bis hinunter zu Bruchteilen einer Millisekunde ansprechen.
Das Widerstandspunktschweißverfahren wird nun mit Bezug auf 4 und 8–10 beschrieben, welche nur die Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl darstellen, die sich überlappen und nebeneinanderliegen, um die Stoßschnittstelle 94 herzustellen. Das Vorhandensein von zusätzlichen Werkstücken in dem Werkstückstapel 70 einschließlich beispielsweise der zusätzlichen Werkstücke 98, 106 aus Aluminium oder Stahl, die vorstehend beschrieben sind, beeinflusst nicht, wie das Punktschweißverfahren ausgeführt wird oder weist keinerlei substantiellen Effekt auf den Fügemechanismus auf, der an der Stoßschnittstelle 94 der aneinander angrenzenden benachbarten Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl stattfindet. Die nachstehend bereitgestellte detailliertere Erörterung trifft daher gleichermaßen für Instanzen, bei denen der Werkstückstapel 70 ein ”3T”-Stapel ist, der das zusätzliche Werkstück 98 aus Aluminium (6) oder das zusätzliche Werkstücke 106 aus Stahl (7) enthält, sowie für ”4T”-Stapel zu, trotz der Tatsache, dass diese zusätzlichen Werkstücke in 4 und 8–10 nicht veranschaulicht sind.
Das offenbarte Verfahren umfasst zuerst, falls benötigt, das Zusammenbauen des Werkstückstapels 70, der das Paar von aneinander angrenzenden Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl zusammen mit der optionalen Zwischenschicht 96 aus organischem Material enthält, die sich durch die Schweißzone 76 hindurch über eine breitere Fügeregion hinweg erstreckt. Nach dem Zusammenbau wird der Werkstückstapel 70 zwischen der ersten Punktschweißelektrode 10 und der gegenüberliegenden zweiten Punktschweißelektrode 78 positioniert. Die Schweißseite 14 der ersten Punktschweißelektrode 10 wird positioniert, um die Oberfläche 82' des Werkstücks aus Aluminium der ersten Seite 82 des Werkstückstapels 70 zu kontaktieren, und die Schweißseite 128 der zweiten Punktschweißelektrode 78 wird positioniert, um die Oberfläche 84' des Werkstücks aus Stahl der zweiten Seite 84 des Stapels 70 zu kontaktieren. Dann wird die Schweißzange 80 betätigt, um die erste und zweite Punktschweißelektrode 10, 78 relativ zueinander zu konvergieren, so dass ihre jeweiligen Schweißseiten 14, 128 gegen die zueinander entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten 82, 84 des Stapels 70 bei der Schweißzone 76 gedrückt werden. Die Schweißseiten 14, 128 sind bei der Schweißzone 76 typischerweise einander zugewandt ausgerichtet unter einer Klemmkraft, die auf den Werkstückstapel 70 aufgebracht wird, die in einem Bereich von 1780 N bis 8895 N (400 lbf bis 2000 lbf) oder enger gefasst von 2669 N bis 5783 N (600 lbf bis 1300 lbf) liegt.
Als Funktion der mehrstufigen konischen Geometrie der Schweißseite 14 der ersten Punktschweißelektrode 10 wird der Druck, der von der ersten Punktschweißelektrode 10 ausgeübt wird, anfänglich durch die obere Plateauoberfläche 42 des zentralen Plateaus 38 konzentriert und auf eine entsprechende begrenzte Fläche der ersten Seite 82 des Werkstückstapels 70 gelenkt, wie in 8 veranschaulicht ist. Das fokussierte Lenken des Klemmdrucks durch eine begrenzte Fläche belastet und verformt die Stoßoberflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl gemeinsam an der Mitte der Schweißzone 76 und es bewirkt außerdem eine seitliche Verschiebung der Zwischenschicht 96 aus organischem Material, falls vorhanden, entlang der Stoßschnittstelle 94 und aus zumindest einer zentralen Fläche 148 der Schweißzone 76 heraus. Diese seitliche Verschiebung der Zwischenschicht 96 aus organischem Material (falls vorhanden) entfernt im Wesentlichen das organische Material zumindest aus der zentralen Fläche 148, welche einen Durchmesser zwischen 2 mm und 4 mm aufweisen kann, wodurch nur minimales organisches Material mit weniger als 0,1 mm Dicke übriggelassen wird, falls überhaupt.
In denjenigen Instanzen, in welchen die Zwischenschicht 96 aus organischem Material zwischen den Stoßoberflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl vorhanden ist, kann ein vorläufiger elektrischer Strom in einem Bereich zwischen 3 kA rms und 15 kA rms über die Vorheizzeitperiode zwischen der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 10, 78 und durch den Werkstückstapel 10 hindurchgeleitet werden, während die Schweißelektroden 10, 78 gegen die gegenüberliegenden Seiten 82, 84 des Stapels 70 gedrückt werden. Das Durchleiten des vorläufigen elektrischen Stroms erwärmt die Stoßschnittstelle 94 und damit die Zwischenschicht 96 aus organischem Material, ohne das Werkstück 72 aus Aluminium zu schmelzen. Dieses Vorheizen macht die Zwischenschicht 96 aus organischem Material weniger viskos und nachgiebiger, ohne die Schicht 96 auszuhärten oder thermisch zu zerlegen. Obwohl das Vorheizen der Zwischenschicht 96 aus organischem Material während des Durchleitens des vorläufigen elektrischen Stroms einer bestimmten Varianz unterworfen ist, liegt eine bevorzugte Temperatur, die eine gute Fließfähigkeit, speziell, wenn die Schicht 96 eine durch Wärme aushärtbare Struktur-Klebstoffmatrix enthält, zwischen 100°C und 150°C oder enger gefasst zwischen 120°C und 140°C. das Vorheizen der Zwischenschicht 96 aus organischem Material durch den vorläufigen elektrischen Strom kann in Verbindung mit dem anfänglichen Lenken des Drucks, der von der ersten Punktschweißelektrode 10 durch das zentrale Plateau 38 ausgeübt wird, die Zwischenschicht 96 aus organischem Material über einen größeren Bereich verschieben und im Wesentlichen bereinigen als wenn nur der Klemmdruck der Punktschweißelektroden 10, 78 verwendet wird.
Nachdem die Punktschweißelektroden 10, 78 gegen ihre jeweiligen Seiten 82, 84 des Werkstückstapels 10 gedrückt sind und das optionale Durchleiten des vorläufigen elektrischen Stroms ausgeführt worden ist, wird ein elektrischer Strom zwischen den aufeinander ausgerichteten Schweißseiten 14, 128 der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 10, 78 geleitet, um eine Schweißfügestelle 150 auszubilden (10). Der ausgetauschte elektrische Strom kann konstant oder über die Zeit gepulst sein oder eine Kombination der beiden sein, und er weist typischerweise einen Strompegel auf, der in einem Bereich von 5 kA bis 50 kA liegt und eine Gesamtdauer von 40 ms bis 4000 ms lang andauert. Als ein paar spezielle Beispiele kann der Ablauf des angelegten elektrischen Stroms dem Wesen der mehrstufigen Abläufe entsprechen, die in US 2015/0053655 und US 2017/0106466 offenbart sind, wobei der gesamte Inhalt von jeder dieser Anmeldungen hier durch Bezugnahme mitaufgenommen ist, oder einem anderen Schweißablauf, der für den Werkstückstapel 70 geeignet ist.
Mit Bezug nun auf 9 erwärmt der elektrische Strom, der zwischen der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 10, 78 fließt, das Werkstück 74 aus Stahl, das einen größeren elektrischen und thermischen Widerstand aufweist, ziemlich schnell. Diese Wärme wird an das Werkstück 72 aus Aluminium übertragen und veranlasst, dass das Werkstück 72 aus Aluminium innerhalb der Schweißzone 76 zu schmelzen beginnt. Das Schmelzen des Werkstücks 72 aus Aluminium erzeugt ein Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze. Das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze benetzt die angrenzende Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl. Und da nur ein minimaler Betrag, falls überhaupt, der Zwischenschicht 96 aus organischem Material innerhalb der zentralen Fläche 148 der Schweißzone 76 verbleibt, wenn der elektrische Stromfluss begonnen wird, falls die Zwischenschicht 96 aus organischem Material ursprünglich überhaupt aufgebracht worden war, sind die Interaktionen, die zwischen dem Restoxidfilm (falls vorhanden) und der thermischen Zerlegung der Schicht 96 aus organischem Material verbleiben, nicht annähernd so vorherrschend, wie sie ansonsten wären, wenn herkömmliche Punktschweißpraktiken verwendet werden. Das Vermeiden derartiger Interaktionen und des daraus resultierenden Ausbildens eines festeren, zäheren Verbundrestfilms trägt zum Beibehalten der Benetzbarkeit der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl bei.
Während der Zeit wächst das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks 72 aus Aluminium auf seine endgültige Größe, wobei die Schweißseite 14 der ersten Punktschweißelektrode 10 weiter in die erste Seite 82 des Werkstückstapels 70 hinein eindringt, wodurch sukzessive die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen 40 in Druckkontakt mit der ersten Seite 82 gebracht werden. Der auf die erste Seite 82 des Werkstückstapels 10 ausgeübte Druck, von jeder zusätzlichen kreisringförmigen Stufe 40, die zum Drücken gegen die erste Seite 82 gebracht wird, kann zu einer weiteren seitlichen Verschiebung der Zwischenschicht 96 aus organischem Material über das hinaus beitragen, was zuvor vor dem Fließen des elektrischen Stroms und dem Schmelzen des Werkstücks 72 aus Aluminium erreicht wurde. Zusätzlich zu dem seitlichen Verschieben der Zwischenschicht 96 aus organischem Material veranlasst das fortgesetzte Eindrücken oder Eindringen der Schweißseite 14 in das Werkstück 72 aus Aluminium, dass das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze seitlich fließt und sein Durchmesser entlang der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl vergrößert. Dieser Effekt wird in der Mitte des Schmelzbads 152 aus Aluminiumschmelze durch das zentrale Plateau 38 vergrößert, welches sich weiter in das Schmelzbad 152 hinein erstreckt als jeder andere Abschnitt der Schweißseite 14. Die mehrstufige konische Geometrie der Schweißseite 14 weist daher die zusätzliche Funktion des Stimulierens der seitlichen Verschiebung des Schmelzbades 152 aus Aluminiumschmelze auf und folglich das Spülen eines Restoxidfilms und/oder eines Verbundrestfilms, der vorhanden sein kann, falls überhaupt, weg von der Schnittstelle des Schmelzbads 152 aus Aluminiumschmelze und von der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl und aus der Schweißzone 76 heraus.
Das fortgesetzte Eindringen der Schweißseite 14 der ersten Punktschweißelektrode 10 umfasst schließlich das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze in dem Außendurchmesser 32 der Schweißseite. Das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze kann einen Durchmesser entlang der Stoßoberfläche des Werkstücks 74 aus Stahl aufweisen, der in einem Bereich von 3 mm bis 15 mm oder enger gefasst von 6 mm bis 10 mm liegt, und es kann eine Distanz in das Werkstück 72 aus Aluminium hinein eindringen, die in einem Bereich von 20% bis 100% der Dicke 721 des Werkstücks 72 aus Aluminium an dem Schweißort 76 liegt. Und hinsichtlich seiner Zusammensetzung besteht das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze hauptsächlich aus Aluminiummaterial, das von dem Werkstück 72 aus Aluminium stammt. Das Durchleiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißseiten 14, 128 der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 10, 78 wird schließlich beendet, wodurch ermöglicht wird, dass das Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze zu der Schweißfügestelle 150 erstarrt, die in 10 dargestellt ist. Die Schweißfügestelle 150 ist das Material, das die benachbarten Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl miteinander durch Schweißen verbindet. Im Speziellen stellt die Schweißfügestelle 150 eine Haftschnittstelle 154 mit der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl her und sie enthält zwei Hauptkomponenten: (1) eine Schweißlinse 156 aus Aluminium und (2) eine Zwischenmetallschicht 158 aus Fe-Al. Es wird allgemein erwartet, dass die Haftschnittstelle 154 der ausgebildeten Schweißfügestelle 150 und des Werkstücks 74 aus Stahl größtenteils frei von kontaminierendem Material ist, das von der thermischen Zerlegung der Zwischenschicht 96 aus organischem Material stammt, wenn eine derartige Schicht ursprünglich zwischen den Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl vorhanden gewesen ist. Und Abschnitte der Schweißfügestelle 150 können, falls gewünscht, aus den Gründen, die in US 2017/0106466 bereitgestellt sind, zahlreiche Male erneut geschmolzen und erneut erstarren gelassen werden.
Die Schweißlinse 156 aus Aluminium besteht aus wieder erstarrtem Aluminium und erstreckt sich bei der Schweißzone 76 in das Werkstück 72 aus Aluminium bis zu einer Distanz hinein, die in einem Bereich von 20% bis 100% der Dicke 721 des Werkstücks 72 aus Aluminium liegt. Die Zwischenmetallschicht 158 aus Fe-Al ist zwischen der Schweißlinse 156 aus Aluminium und der Stoßoberfläche 90 des Werkstücks 74 aus Stahl angeordnet und zu der der Haftschnittstelle 154 benachbart. Die Zwischenmetallschicht 158 aus Fe-Al wird aufgrund einer Reaktion zwischen dem Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze und Eisen, das aus dem Werkstück 74 aus Stahl bei Punktschweißtemperaturen diffundiert, erzeugt, und sie umfasst typischerweise Verbindungen aus FeAl₃, Verbindungen aus Fe₂Al₅ und möglicherweise auch andere Zwischenmetallverbindungen aus Fe-Al. Die Zwischenmetallschicht 158 aus Fe-Al ist härter und spröder als die Schweißlinse 156 aus Aluminium und weist oft eine Durchschnittsdicke von 1 μm bis 7 μm entlang der Haftungsschnittstelle 154 der Schweißfügestelle 150 und des Werkstücks 74 aus Stahl auf.
Die Zwischenmetallschicht 158 aus Fe-Al neigt weniger zum Beeinträchtigen der Festigkeit und der mechanischen Eigenschaften der Schweißfügestelle 150 nach dem Ausführen des offenbarten Punktschweißverfahrens. Tatsächlich minimiert das Entfernen der Zwischenschicht 96 aus organischem Material, falls sie ursprünglich vorhanden war, aus der Schweißzone 76, was durch die mehrstufige konische Geometrie der Schweißseite 14 der ersten Schweißelektrode 10 unterstützt wird, auf effektive Weise die Rückstände der thermischen Zerlegung der Schicht 96 oder beseitigt diese vollständig, welche zu Defekten in der Nähe der Schnittstelle innerhalb der spröden Zwischenmetallschicht 158 aus Fe-Al führen können. Darüber hinaus kann in dem Fall, dass eine bestimmte Menge der Rückstände der thermischen Zerlegung, die von der Zwischenschicht 96 aus organischem Material stammen, innerhalb der Schweißzone 76 verbleibt und dem Schmelzbad 152 aus Aluminiumschmelze ausgesetzt wird, ein seitliches Fließen des Schmelzbads 152 aus Aluminiumschmelze, das durch die mehrstufige konische Schweißseitengeometrie der ersten Punktschweißelektrode 12 induziert wird, diese Rückstände aus der Schweißzone 76 und der Haftschnittstelle 154 wegspülen, um das mechanische Verhalten der erstarrten Schweißfügestelle 150 weiter zu verbessern. In dieser Hinsicht ist die weit verteilte Verteilung von Schweißfügestellenungleichheiten, deren häufiges Auftreten in herkömmlichen Punktschweißpraktiken festgestellt wurde, wenn organisches Zwischenmaterial vorhanden ist, zumindest nicht so vorherrschend, wenn ein Punktschweißen in Übereinstimmung mit dem gegenwärtig offenbarten Verfahren ausgeführt wird.
Nachdem das offenbarte Punktschweißverfahren abgeschlossen ist und die Schweißfügestelle 150 ausgebildet ist, um die Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl miteinander durch Schweißen zu verbinden, wird die Klemmkraft, die auf den Werkstückstapel 70 an der Schweißzone 76 aufgebracht wurde, abgebaut und die erste und zweite Punktschweißelektrode 10, 78 werden von ihren jeweiligen Werkstückseiten 82, 84 weg bewegt. Der Werkstückstapel 70 kann nun relativ zu der Schweißzange 80 bewegt werden, so dass die erste und zweite Punktschweißelektrode 10, 78 in zueinander weisender Anordnung an einer anderen Schweißzone 76 positioniert werden, bei der das offenbarte Verfahren wiederholt wird. Sobald die gewünschte Anzahl von Widerstandspunktschweißfügestellen 150 an dem Werkstückstapel 70 ausgebildet worden ist, welche typischerweise in einem Bereich von 1 bis 50 liegt, kann der Stapel 70 einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden, wenn dies angemessen ist. Wenn beispielsweise eine nicht gehärtete, jedoch durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht zwischen den Werkstücken 72, 74 aus Aluminium und Stahl vor dem Punktschweißen aufgebracht wurde, kann der Werkstückstapel 70 erwärmt werden, um die durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht auszuhärten, die außerhalb der Schweißzone 76 jeder Schweißfügestelle 150, aber innerhalb der mit Klebstoff beschichteten Fügestellenregionen des Stapels 70 intakt bleibt, um eine zusätzliche haftende Klebstoffverbindung zwischen den Stoßflächen 86, 90 der Werkstücke 72, 74 aus Aluminium und Stahl zu erreichen. Das benötigte Erwärmen des Werkstückstapels 70 kann in einem ELPO-Backofen, einem Heizofen oder einer anderen Heizvorrichtung ausgeführt werden.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und spezielle Beispiele dienen nur zur Beschreibung; sie sind nicht gedacht, um den Umfang der nachfolgenden Ansprüche zu beschränken. Jeder der Begriffe, der in den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, soll mit seiner gewöhnlichen und üblichen Bedeutung verwendet werden, sofern dies in der Beschreibung nicht speziell und unzweideutig anderweitig angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0050]
US 8222560 [0067]
US 8436269 [0067]
US 8927894 [0067]
US 2013/0200048 [0067]
US 2015/0053655 [0075]
US 2017/0106466 [0075, 0078]

Claims

Punktschweißelektrode, umfassend: einen Körper; eine Schweißseite, die an einem Ende des Körpers abgestützt ist, wobei die Schweißseite eine mehrstufige konische Geometrie aufweist, die eine Folge von Stufen enthält, die um eine Schweißseitenachse zentriert sind und in einem Außenumfang der Schweißseite enthalten sind, wobei die Folge von Stufen eine innerste erste Stufe in der Form eines zentralen Plateaus und zusätzlich eine oder mehrere kreisringförmige Stufen umfasst, welche das zentrale Plateau umgeben und radial nach außen von dem zentralen Plateau aus zu dem Außenumfang der Schweißseite hin stufenförmig abfallen, wobei das zentrale Plateau eine obere Plateauoberfläche aufweist und jede der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen eine obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aufweist, wobei die Schweißseite ein im Querschnitt konisches Profil aufweist, in welchem ein äußerer Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und ein äußerer Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen in einem konischen Schnittbereich enthalten sind, der durch eine obere lineare Begrenzungslinie und eine untere lineare Begrenzungslinie definiert ist, welche sich an dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche schneiden und sich von einer horizontalen Ebene aus, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, nach unten und nach außen zu einer horizontalen Ebene erstrecken, die sich von dem Außenumfang der Schweißseite aus erstreckt, und wobei die obere lineare Begrenzungslinie zu der horizontalen Ebene, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, um einen Winkel von 5° geneigt ist, und die untere lineare Begrenzungslinie zu der horizontalen Ebene, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, und einem Winkel von 15° geneigt ist.
Punktschweißelektrode nach Anspruch 1, wobei die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und der äußere Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen entlang einer linearen Tangentenlinie mit konstanter Steigung ausgerichtet sind, die zu der horizontalen Ebene, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, um einen Winkel geneigt ist, der in einem Bereich von 5° bis 15° liegt.
Punktschweißelektrode nach Anspruch 2, wobei auch der Außenumfang der Schweißseite zusammen mit dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und dem äußeren Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen auf die lineare Tangentenlinie mit konstanter Steigung ausgerichtet ist.
Punktschweißelektrode nach Anspruch 1, wobei die obere Plateauoberfläche in Draufsicht kreisförmig ist mit einem Durchmesser, der in einem Bereich von 2 mm bis 8 mm liegt, und wobei eine Plateauseitenoberfläche des zentralen Plateaus, welche die obere Plateauoberfläche umgibt und sich von dort aus nach unten erstreckt, eine Höhe aufweist, die in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm liegt und sich von der oberen Plateauoberfläche aus unter einem Neigungswinkel, der in einem Bereich von 5° bis 60° liegt, radial nach außen aufweitet.
Punktschweißelektrode nach Anspruch 1, wobei die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen eine Breite aufweist, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 2,0 mm liegt, und wobei eine Stufenseitenoberfläche, welche die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen umgibt und sich von dort aus nach unten erstreckt, sich von der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aus unter einem Neigungswinkel, der in einem Bereich von 5° bis 60° liegt, radial nach außen aufweitet.
Punktschweißelektrode nach Anspruch 1, wobei das zentrale Plateau eine Plateauseitenoberfläche umfasst, die sich von der oberen Plateauoberfläche aus nach unten erstreckt und sich von der oberen Plateauoberfläche aus radial nach außen aufweitet, und wobei die eine oder die mehreren kreisringförmigen Stufen, welche das zentrale Plateau umgeben, mindestens eine erste kreisringförmige Stufe, die zu dem zentralen Plateau benachbart ist, eine zweite kreisringförmige Stufe, die zu der ersten kreisringförmigen Stufe benachbart ist, und eine dritte kreisringförmige Stufe umfasst, die zu der zweiten kreisringförmigen Stufe benachbart ist, wobei die erste kreisringförmige Stufe eine erste obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aufweist, die sich von der Plateauseitenoberfläche des zentralen Plateaus zu einer ersten Stufenseitenoberfläche radial nach außen erstreckt, welche sich von der ersten oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt und sich von der ersten oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet, die zweite kreisringförmige Stufe eine zweite obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aufweist, die sich von der ersten Stufenseitenoberfläche der ersten kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen zu einer zweiten Stufenseitenoberfläche erstreckt, die sich von der zweiten oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt und sich von der zweiten oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet, und die dritte kreisringförmige Stufe eine dritte obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aufweist, die sich von der zweiten Stufenseitenoberfläche der zweiten kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen zu einer dritten Stufenseitenoberfläche hin erstreckt, die sich von der dritten oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus nach unten erstreckt und sich von der dritten oberen Oberfläche der kreisringförmigen Stufe aus radial nach außen aufweitet.
Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Aluminium und ein angrenzendes, überlappendes Werkstück aus Stahl enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der ein Werkstück aus Aluminium und ein Werkstück aus Stahl, welches sich mit dem Werkstück aus Aluminium überlappt, enthält, um eine Stoßschnittstelle zwischen den Werkstücken aus Aluminium und Stahl herzustellen, wobei der Werkstückstapel eine Oberfläche des Werkstücks aus Aluminium, die eine erste Seite des Stapels bereitstellt, und eine Oberfläche des Werkstücks aus Stahl, die eine entgegengesetzte zweite Seite des Stapels bereitstellt, aufweist; der Werkstückstapel zwischen einer Schweißseite einer ersten Punktschweißelektrode und einer Schweißseite einer zweiten Punktschweißelektrode positioniert wird, wobei die Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode eine Folge von Stufen umfasst, die eine innerste erste Stufe in der Form eines zentralen Plateaus und zusätzlich eine oder mehrere kreisringförmige Stufen umfasst, welche das zentrale Plateau umgeben und von dem zentralen Plateau aus radial nach außen stufenförmig abfallen, wobei das zentrale Plateau eine obere Plateauoberfläche aufweist und jede der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen eine obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe aufweist, wobei die Schweißseite ein im Querschnitt konisches Profil aufweist, in welchem ein äußerer Rand der oberen Plateauoberfläche des zentralen Plateaus und ein äußerer Rand der oberen Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von jeder der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen in einem konischen Schnittbereich enthalten sind, der durch eine obere lineare Begrenzungslinie und eine untere lineare Begrenzungslinie definiert ist, die sich an dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche schneiden und zu einer horizontalen Ebene, die sich von dem äußeren Rand der oberen Plateauoberfläche aus erstreckt, unter einem Winkel von 5° bzw. 15° geneigt sind; die Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode gegen die erste Seite des Werkstückstapels derart gedrückt wird, dass die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus einen ersten Kontakt mit der ersten Seite des Werkstückstapels herstellt und jeder Druck, der durch die Schweißseite der ersten Schweißelektrode auf die erste Seite des Werkstückstapels ausgeübt wird, zumindest anfänglich durch die obere Plateauoberfläche des zentralen Plateaus hindurchgeleitet wird; die Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode gegen die zweite Seite des Werkstückstapels bei einer Schweißzone in einer zugewandten Ausrichtung zu der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode gedrückt wird; ein elektrischer Strom zwischen der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode und der Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode und durch den Werkstückstapel hindurchgeleitet wird, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze in dem Werkstück aus Aluminium wachsen zu lassen, welches eine angrenzende Stoßoberfläche des Werkstücks aus Stahl benetzt, wobei die Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode während des Anwachsens des Schmelzbades aus Aluminiumschmelze weiter in die erste Seite des Werkstückstapels derart eindringt, dass die obere Oberfläche einer kreisringförmigen Stufe von mindestens einigen der einen oder mehreren kreisringförmigen Stufen in Kontakt mit der ersten Seite des Werkstückstapels gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Werkstückstapel ferner eine Zwischenschicht aus organischem Material umfasst, die zwischen den Werkstücken aus Aluminium und Stahl an der Stoßschnittstelle aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst, dass ein vorläufiger elektrischer Strom zwischen der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode und der Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode und durch den Werkstückstapel hindurchgeleitet wird, bevor der elektrische Strom hindurch geleitet wird, der das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze anwachsen lässt, wobei das Durchleiten des vorläufigen elektrischen Stroms die Zwischenschicht aus organischem Material erwärmt und sie weniger viskos macht, ohne das Werkstück aus Aluminium zu schmelzen, das angrenzend an das Werkstück aus Stahl liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zwischenschicht aus organischem Material eine durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht ist, und wobei das Hindurchleiten des vorläufigen elektrischen Stroms zwischen der Schweißseite der ersten Punktschweißelektrode und der Schweißseite der zweiten Punktschweißelektrode die durch Wärme aushärtbare Klebstoffschicht auf 100°C bis 150°C erwärmt.