DE102018122175A1

DE102018122175A1 - Widerstandspunktschweissen von Kupferwerkstücken

Info

Publication number: DE102018122175A1
Application number: DE102018122175.4A
Authority: DE
Inventors: James G. Schroth; Thomas A. Perry; Hongliang Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN109483034A; US10532420B2; US20190076953A1; CN109483034B

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden von angrenzenden, sich überlappenden Kupferwerkstücken mittels Widerstandspunktschweißen besteht darin, einen Werkstückstapel bereitzustellen, der ein erstes Kupferwerkstück und ein zweites Kupferwerkstück beinhaltet, das angrenzend an das erste Kupferwerkstück anliegt. Die Passfläche des ersten Kupferwerkstücks beinhaltet einen Vorsprung, der über eine umgebende Basisfläche der Passfläche hinausragt und direkt oder indirekt mit einer gegenüberliegenden Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks in Kontakt kommt. Nach dem Bereitstellen wird eine Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke ausgeübt und ein elektrischer Strom wird kurzzeitig durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke geleitet. Der elektrische Strom fließt zunächst durch den Vorsprung, um Wärme zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der Vorsprung einbricht. Durch diesen konzentrierten Wärmeschub kann eine metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken hergestellt werden.

Description

EINLEITUNG
Das Widerstandspunktschweißen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fließen eines elektrischen Stroms durch das Schüttgut und über die Passschnittstelle von sich überlappenden Metallwerkstücken hinweg zum Erzeugen und Konzentrieren von Wärme. Gewöhnlich schmilzt die erzeugte Wärme die sich überlappenden Metallwerkstücke zu einem Schmelzbad, das aus jedem der Werkstücke gewonnen wird. Das Schmelzbad reicht in jedes der angrenzenden Metallwerkstücke hinein und verbraucht die Passschnittstelle. Nach Beendigung des Durchleitens von elektrischem Strom verfestigt sich das Schmelzbad zu einer Schweißlinse, welche die angrenzenden, sich überlappenden Metallwerkstücke durch Schmelzschweißen miteinander verschweißt. In der Praxis wird der momentane Durchgang des elektrischen Stroms durch die sich überlappenden metallischen Werkstücke durch einen Satz Punktschweißelektroden geführt, die gegen gegenüberliegende freiliegende Flächen der Metallwerkstücke gespannt werden, sodass die Schweißflächen der Elektroden an der Schweißstelle fluchten. Das Widerstandspunktschweißen wird seit langem zum Schmelzschweißen von Stapeln von Stahlwerkstücken und seit kurzem auch bei Stapeln aus Aluminiumlegierungen eingesetzt. Das Widerstandspunktschweißen ist ein beliebtes Fügeverfahren für diese Metalle, da es im Vergleich zu anderen Fügeverfahren relativ schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann.
Das Widerstandspunktschweißen galt traditionell als nicht praktikables Verfahren zum Zusammenfügen von Kupferwerkstücken. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer erschwert das Erzeugen von Widerstandswärme in den Kupferwerkstücken entlang des Stromflusses, der sich zwischen den gegenüberliegenden Punktschweißelektroden erstreckt. Um sicher zu sein, ist die elektrische Leitfähigkeit von reinem geglühtem Kupfer bei 20 °C 5,80 × 10⁷ S/m, und dieser Wert wird als Standard (100 % IACS) verwendet, mit dem die elektrische Leitfähigkeit anderer Materialien in Prozent angegeben wird. Im Vergleich dazu sind Aluminiumlegierungen mindestens 35 % weniger elektrisch leitfähig als Kupfer und Stähle sind sogar noch weniger elektrisch leitfähig als Aluminiumlegierungen. Selbst die für die Herstellung der Punktschweißelektroden üblichen Kupferlegierungen sind elektrisch widerstandsfähiger als Kupfer. Und soweit genügend Strom durch überlappende Kupferwerkstücke geleitet werden kann, um eine gewisse Widerstandswärme zu erzeugen, ohne die Elektroden thermisch zu schädigen, wird diese durch die entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer schnell verbreitet. Das Durchleiten eines großen Stroms durch überlappende Kupferwerkstücke führt daher im Allgemeinen zu einer relativ gleichmäßigen Erwärmung der Kupferwerkstücke über einen ausgedehnten Bereich im Gegensatz zur Wärmekonzentration zwischen den Elektroden. In Wirklichkeit ist es wahrscheinlicher, dass die Punktschweißelektroden aus einer Kupferlegierung durch die Zufuhr eines großen elektrischen Stroms an ihre jeweiligen Kupferwerkstücke geschweißt werden, als dass die Kupferwerkstücke über ihre Passschnittstelle miteinander verschweißt werden.
Beim Fügen von Kupferwerkstücken wird in der Regel zwischen Löten, Lichtbogenschweißen, wie beispielsweise MIG-Schweißen (GMAW), WIG-Schweißen (GTAW) und Plasmaschweißen (PAW) oder Elektronenstrahlschweißen gewählt. Während jedes dieser derzeit verfügbaren Verfahren unter bestimmten Umständen funktionieren kann, besteht bei jedem Verfahren ein allgemeiner Nachteil gegenüber dem Widerstandspunktschweißen, insbesondere die Notwendigkeit, die Fügestelle von einer externen Quelle (z. B. einer Flamme, einem Lichtbogen, einem Strahl von Hochgeschwindigkeitselektronen usw.) mit Wärme zu versorgen. Die von der externen Quelle zugeführte Wärme ist stark genug, um die Kupferwerkstücke oder den Füllstoff an der Fügestelle zu schmelzen. Die zugeführte Wärme lässt sich jedoch nur schwer präzise steuern und führt häufig zu einer übermäßigen Wärmeeinbringung in die Fügestelle, was es erschwert, thermische Schäden an eventuell vorhandenen wärmeempfindlichen Materialien in der Nähe zu vermeiden. Die Möglichkeit zur zielgerichteten Steuerung der Widerstandswärmeerzeugung in überlappenden Kupferwerkstücken, sodass das Widerstandspunktschweißen als praktikables Fügeverfahren eingesetzt werden kann, würde den Fertigungsprozessen, die eine Kupfer-Kupfer-Verbindung erfordern, ein hohes Maß an Flexibilität verleihen und wäre besonders dort wertvoll, wo es um den Schutz von nahegelegenen wärmeempfindlichen Materialien geht.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren zum Zusammenfügen von angrenzenden überlappenden Kupferwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt ist ein Werkstückstapel vorgesehen, der ein erstes Kupferwerkstück und ein zweites Kupferwerkstück beinhaltet, das angrenzend an das erste Kupferwerkstück liegt. Das erste Kupferwerkstück weist eine erste Passfläche auf und das zweite Kupferwerkstück weist eine zweite Passfläche auf, die der ersten Passfläche gegenüberliegt, um eine Passfläche zu bilden. Darüber hinaus beinhaltet die erste Passfläche einen Vorsprung, der über eine umgebende Basisfläche der ersten Passfläche hinausragt und mit der zweiten Passfläche in Kontakt kommt. In einem weiteren Schritt wird eine Druckkraft auf das erste und das zweite Kupferwerkstück ausgeübt, die den Vorsprung der ersten Passfläche auf die zweite Passfläche drückt. In noch einem weiteren Schritt wird ein elektrischer Strom durch das erste und zweite Kupferwerkstück geleitet. Der elektrische Strom fließt zunächst durch den auf der ersten Passfläche enthaltene Vorsprung, um Wärme zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der Vorsprung einbricht, um die erste Passfläche und die zweite Passfläche entlang der Passfläche der ersten und zweiten Kupferwerkstücke in einen breiteren Grenzflächenkontakt zu bringen. Nach dem Abkühlen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke wird eine metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken über ihre Passschnittstelle an einer Stelle hergestellt, an welcher der Vorsprung eingebrochen ist.
Das Verfahren der vorgenannte Ausführungsform kann verschiedene Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise die zweite Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks auch einen Vorsprung beinhalten, der über eine umgebende Basisfläche der zweiten Passfläche hinausragt. Darüber hinaus können der Vorsprung der ersten Passfläche und der Vorsprung der zweiten Passfläche miteinander in Kontakt kommen und gegeneinander gedrückt werden, wenn die Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke aufgebracht wird. In diesem Szenario kann das Leiten des elektrischen Stroms durch das erste und zweite Kupferwerkstück zunächst den elektrischen Strom durch die Vorsprünge fließen lassen, um Wärme zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der Vorsprung einbricht, um die erste Passfläche und die zweite Passfläche entlang der Passfläche der ersten und zweiten Kupferwerkstücke in einen breiteren Grenzflächenkontakt zu bringen. Als weiteres Beispiel kann ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial zwischen dem Vorsprung der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche angeordnet werden. Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial kann eine Kupferlegierung sein, die zwischen 2,0 Gew.-% und 10 Gew.-% Phosphor beinhaltet.
Darüber hinaus kann das Verfahren der vorgenannten Ausführungsform den Schritt der Zuführung eines elektrischen Stroms zu einer Kondensatorbank zum Speichern von Energie in der Kondensatorbank und den Schritt der Entladung der in der Kondensatorbank gespeicherten Energie zum Bereitstellen des elektrischen Stroms, der gegenwärtig durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke geleitet wird, umfassen. Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 99,9 Gew.-% Kupfer oder mehr umfassen. In einer weiteren Implementierung kann das Verfahren der vorgenannten Ausführungsform den Schritt umfassen, den Vorsprung auf der ersten Passfläche zu bilden, bevor das erste Kupferwerkstück und das zweite Kupferwerkstück zum Werkstückstapel zusammengefügt werden. Die Bildung der Vorsprünge auf der ersten Passfläche kann eine mechanische Verformung des ersten Kupferwerkstücks beinhalten, um das Material des ersten Kupferwerkstücks in die Vorsprünge zu verdrängen. Oder, in einer anderen Technik, kann die Bildung der Vorsprünge auf der ersten Passfläche das Aufbringen eines Kupfermaterials auf das erste Kupferwerkstück beinhalten, um die Vorsprünge zu bilden, ohne das erste Kupferwerkstück mechanisch zu verformen.
Ein weiteres Verfahren zum Zusammenfügen von angrenzenden überlappenden Kupferwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt kann mindestens ein Vorsprung an einer ersten Passfläche eines ersten Kupferwerkstücks gebildet werden. Der mindestens eine Vorsprung der ersten Passfläche kann über eine umgebende Basisfläche der ersten Passfläche hinausragen. In einem weiteren Schritt kann ein Werkstückstapel zusammengebaut werden, der das erste Kupferwerkstück und ein zweites Kupferwerkstück beinhaltet, das angrenzend an das erste Kupferwerkstück liegt. Der mindestens eine Vorsprung der ersten Passfläche des ersten Kupferwerkstücks kann mit einer zweiten Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks in Kontakt kommen. In noch einem weiteren Schritt kann eine Druckkraft auf das erste und das zweite Kupferwerkstück ausgeübt werden, die den mindestens einen Vorsprung der ersten Passfläche auf die zweite Passfläche drückt. In noch einem weiteren Schritt kann die in einer Kondensatorbank gespeicherte Energie entladen werden, um einen elektrischen Strom bereitzustellen, der innerhalb eines Zeitraums von 2,0 ms bis 10 ms auf einen Spitzenstrom zwischen 30 kA und 80 kA ansteigt und dann über einen Zeitraum von 5,0 ms bis 20 ms abfällt, bevor er unter 1 kA fällt. In einem weiteren Schritt kann eine metallurgische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Kupferwerkstück hergestellt werden, indem der elektrische Strom durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke geleitet wird. Der elektrische Strom fließt zunächst durch den mindestens einen Vorsprung, der sich auf der ersten Passfläche befindet, um Wärme in dem mindestens einen Vorsprung zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der mindestens eine Vorsprung einbricht und die erste Passfläche und die zweite Passfläche in einen breiteren Grenzflächenkontakt bringt. Nach dem Abkühlen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke wird die metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken über ihre Passschnittstelle an einer Stelle hergestellt, an welcher der mindestens eine Vorsprung eingebrochen ist.
Das Verfahren der vorgenannte Ausführungsform kann verschiedene Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 99,9 Gew.-% Kupfer oder mehr umfassen. Als weiteres Beispiel kann das vorgenannte Verfahren auch den Schritt der Bildung mindestens eines Vorsprungs an der zweiten Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks beinhalten. Der mindestens eine Vorsprung der zweiten Passfläche kann über eine umgebende Basisfläche der zweiten Passfläche hinausragen. In diesem Fall kann der Schritt des Zusammenbaus des Werkstückstapels darin bestehen, den mindestens einen Vorsprung der ersten Passfläche und den mindestens einen Vorsprung der zweiten Passfläche miteinander in Kontakt zu bringen, sodass das Aufbringen der Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke die Vorsprünge gegeneinander drückt. Auch der Schritt des Leitens von elektrischem Strom durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke beinhaltet zunächst das Fließen des elektrischen Stroms durch die Vorsprünge, um Wärme innerhalb der Vorsprünge zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor die Vorsprünge kollabieren.
Darüber hinaus kann das vorgenannte Verfahren den Schritt des Einbringens eines Zwischenreaktionsmaterials zwischen der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche beinhalten, sodass das Zwischenreaktionsmaterial zwischen dem Vorsprung der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche beim Zusammenbau des ersten Kupferwerkstücks und des zweiten Kupferwerkstücks in den Werkstückstapel angeordnet wird. Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial ist eine Kupferlegierung, die zwischen 2,0 Gew.-% und 10 Gew.-% Phosphor beinhaltet ist. Tatsächlich kann das dazwischenliegende Reaktionsmaterial eine Cu-P-Ag-Legierung sein, die Kupfer und zwischen 3 Gew.-% und 8 Gew.-% Phosphor und zwischen 0,1 Gew.-% und 20 Gew.-% Silber beinhaltet.
Weiterhin kann der Schritt des Bildens des mindestens einen Vorsprungs auf dem ersten Kupferwerkstück das Stanzen des ersten Kupferwerkstücks beinhalten, bei dem ein Stempel von einer gegenüberliegenden Rückseite des ersten Kupferwerkstücks in das erste Kupferwerkstück eingeschlagen wird, um das Material des ersten Kupferwerkstücks in den Vorsprung zu verdrängen. Als weitere Option kann der Schritt der Bildung des mindestens einen Vorsprungs auf dem ersten Kupferwerkstück das Aufbringen eines Kupfermaterials auf das erste Kupferwerkstück zum Bilden des Vorsprungs ohne mechanische Verformung des ersten Kupferwerkstücks beinhalten.
Ein noch weiteres Verfahren zum Zusammenfügen von angrenzenden überlappenden Kupferwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt kann mindestens ein Vorsprung an einer ersten Passfläche eines ersten Kupferwerkstücks gebildet werden. Der mindestens eine Vorsprung der ersten Passfläche kann über eine umgebende Basisfläche der ersten Passfläche hinausragen. In einem weiteren Schritt ist ein Werkstückstapel zusammengebaut, der das erste Kupferwerkstück und ein zweites Kupferwerkstück beinhaltet, das angrenzend an das erste Kupferwerkstück liegt. Der mindestens eine Vorsprung der ersten Passfläche des ersten Kupferwerkstücks kann mit einer zweiten Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks durch ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial in Kontakt kommen. Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial kann eine Kupferlegierung sein, die zwischen 2,0 Gew.-% und 10 Gew.-% Phosphor beinhaltet und eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die niedriger ist als die elektrische Leitfähigkeit jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke. In noch einem weiteren Schritt wird eine Druckkraft auf das erste und das zweite Kupferwerkstück ausgeübt, die den mindestens einen Vorsprung der ersten Passfläche auf die zweite Passfläche drückt. In noch einem weiteren Schritt wird die in einer Kondensatorbank gespeicherte Energie entladen, um einen elektrischen Strom bereitzustellen, der innerhalb eines Zeitraums von 2,0 ms bis 10 ms auf einen Spitzenstrom zwischen 30 kA und 80 kA ansteigt und dann über einen Zeitraum von 5,0 ms bis 20 ms abfällt, bevor er unter 1 kA fällt. In einem weiteren Schritt wird der elektrischer Strom durch das erste und zweite Kupferwerkstück geleitet. Der elektrische Strom kann zunächst durch den mindestens einen Vorsprung fließen, der sich auf der ersten Passfläche befindet, um Wärme in dem mindestens einen Vorsprung zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der mindestens eine Vorsprung einbricht und die erste Passfläche und die zweite Passfläche in einen breiteren Grenzflächenkontakt bringt. Die in dem mindestens einen Vorsprung entstehende Wärme kann dazu führen, dass sich die dazwischenliegende Materialschicht verflüssigt und zwischen der ersten und zweiten Passfläche seitlich verdrängt wird. Nach dem Abkühlen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke kann eine metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken über ihre Passschnittstelle an einer Stelle hergestellt werden, an welcher der mindestens eine Vorsprung eingebrochen ist.
Das Verfahren der vorgenannte Ausführungsform kann verschiedene Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise das Verfahren das Bilden mindestens eines Vorsprungs an der zweiten Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks beinhalten. Der mindestens eine Vorsprung der zweiten Passfläche kann über eine umgebende Basisfläche der zweiten Passfläche hinausragen. In diesem Fall kann der Schritt des Zusammenbaus des Werkstückstapels darin bestehen, den mindestens einen Vorsprung der ersten Passfläche und den mindestens einen Vorsprung der zweiten Passfläche durch die dazwischenliegende Reaktionsmaterialschicht in indirekten Kontakt miteinander zu bringen, sodass das Aufbringen der Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke die Vorsprünge gegeneinander drückt. Darüber hinaus kann der Schritt des Durchleitens des elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke den elektrischen Strom zunächst durch den mindestens einen Vorsprung der ersten Passfläche und den mindestens einen Vorsprung der zweiten Passfläche fließen lassen, um Wärme innerhalb der Vorsprünge zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor die beiden Vorsprünge kollabieren, um die erste Passfläche und die zweite Passfläche in einen breiteren Grenzflächenkontakt zu bringen.
In einem weiteren Beispiel kann das Verfahren der vorgenannte Ausführungsform verschiedene Schritte beinhalten. In einem dieser zusätzlichen Schritte kann das erste Kupferwerkstück mit einer ersten Punktschweißelektrode aus einer Kupferlegierung in Kontakt gebracht werden. Ebenso kann in einem weiteren Schritt das zweite Kupferwerkstück mit einer zweiten Punktschweißelektrode aus einer Kupferlegierung in Kontakt gebracht werden, die mit der ersten Punktschweißelektrode aus einer Kupferlegierung fluchtet. Darüber hinaus wird die Druckkraft, die auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke ausgeübt wird, durch Drücken der ersten und zweiten Punktschweißelektrode aus einer Kupferlegierung gegen die ersten bzw. zweiten Kupferwerkstücke aufgebracht. Weiterhin kann der elektrische Strom durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke geleitet werden, indem der elektrische Strom zwischen der ersten und zweiten Kupferlegierungsschweißelektrode, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstückstapels befinden, ausgetauscht wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Werkstückstapels, der ein erstes Kupferwerkstück und ein angrenzendes überlappendes zweites Kupferwerkstück beinhaltet, und eine Ausführungsform einer Widerstandspunktschweißvorrichtung, welche die ersten und zweiten Kupferwerkstücke zusammenschweißen kann, und worin mindestens eine erste Passfläche des ersten Kupferwerkstücks mindestens einen Vorsprung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet;
2 ist eine vergrößerte Ansicht des in 1 veranschaulichten Werkstückstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und isoliert vom Widerstandspunktschweißgerät;
3 ist eine verallgemeinerte Darstellung eines Stanzvorgangs, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, um den mindestens einen Vorsprung auf der ersten Passfläche (oder der ersten und zweiten Passfläche) durch mechanisches Verformen und Verdrängen des Materials des ersten Kupferwerkstücks (oder des ersten und zweiten Kupferwerkstücks) zu bilden;
4 ist eine verallgemeinerte Darstellung, die einen weiteren Stanzvorgang darstellt, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, um den mindestens einen Vorsprung auf der ersten Passfläche (oder der ersten und zweiten Passfläche) durch mechanisches Verformen und Verdrängen des Materials des ersten Kupferwerkstücks (oder des ersten und zweiten Kupferwerkstücks) zu bilden;
5 ist eine verallgemeinerte Darstellung, welche die Abscheidung eines Kupfermaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, um den mindestens einen Vorsprung auf der ersten Passfläche (oder der ersten und zweiten Passfläche) zu bilden, ohne das erste Kupferwerkstück (oder das erste und zweite Kupferwerkstück) mechanisch zu verformen;
6 ist eine Draufsicht auf die erste Passfläche des ersten Kupferwerkstücks, die eine Vielzahl von Vorsprüngen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet;
7 zeigt die ersten und zweiten Punktschweißelektroden der Schweißzange, die gegen die gegenüberliegenden Seiten des Stapels gedrückt werden, um eine Druckkraft auf die Werkstücke beim Fügen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auszuüben;
8 zeigt einen möglichen Schweißplan, der mit dem in 1 dargestellten Widerstandspunktschweißgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung genutzt werden kann, worin die y-Achse das aktuelle Niveau in Kiloamperes (kA) und die x-Achse die Zeit in Millisekunden (ms) ist;
9 zeigt die ersten und zweiten Punktschweißelektroden der Schweißzange, die gegen die gegenüberliegenden Seiten des Stapels gedrückt werden, um eine Druckkraft auf die Werkstücke an der Fügestelle aufzubringen, nachdem der mindestens eine Vorsprung an der ersten Passfläche (oder der ersten und zweiten Passfläche) kollabiert ist und die ersten und zweiten Passflächen gemäß einer Darstellung der vorliegenden Offenbarung in breiteren Grenzflächenkontakt gebracht worden sind;
10 zeigt die ersten und zweiten Kupferwerkstücke und eine metallurgische Verbindung, die zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken über ihre Passschnittstelle an der Fügestelle hergestellt wurde, an welcher der mindestens eine Vorsprung zunächst vorhanden war und später gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kollabierte;
11 ist eine schematische Darstellung eines Werkstückstapels, der ein erstes Kupferwerkstück und ein angrenzendes überlappendes zweites Kupferwerkstück beinhaltet, und eine weitere Ausführungsform einer Widerstandspunktschweißvorrichtung, welche die ersten und zweiten Kupferwerkstücke zusammenschweißen kann, und worin mindestens eine erste Passfläche des ersten Kupferwerkstücks mindestens einen Vorsprung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet;
12 veranschaulicht einen möglichen Schweißplan, der mit der in 11 dargestellten Widerstandspunktschweißvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewendet werden kann, worin die y-Achse das aktuelle Niveau in Kiloamperes (kA) und die x-Achse die Zeit in Millisekunden (ms) ist;
13 zeigt die ersten und zweiten Kupferwerkstücke aus dem gleichen Blickwinkel wie 2, wobei hier die zweite Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks ebenfalls mindestens einen Vorsprung zusammen mit der ersten Passfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet;
14 zeigt die ersten und zweiten Kupferwerkstücke aus dem gleichen Blickwinkel wie 2 sowie ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial, das zwischen der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche angeordnet ist, um die Herstellung der metallurgischen Verbindung gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung zu erleichtern; und
15 zeigt die ersten und zweiten Kupferwerkstücke aus dem gleichen Blickwinkel wie 2 sowie ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial, das zwischen der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche angeordnet ist, um die Herstellung der metallurgischen Verbindung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen von Kupferwerkstücken offenbart, trotz der hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten von Kupfer. Der Begriff „Widerstandspunktschweißen“ wird im Zusammenhang mit dem derzeit bekannten Verfahren verwendet, um im Wesentlichen Verfahren zu bezeichnen, bei welchen ein elektrischer Strom durch überlappende Kupferwerkstücke geleitet wird, um resistiv die Wärme zu erzeugen, die zum Fügen der Kupferwerkstücke über ihre Passschnittstelle erforderlich ist. Die entstehende Wärme kann die Kupferwerkstücke schmelzen und so eine Schmelzverbindung erzeugen, oder sie kann die Kupferwerkstücke lediglich erweichen, um eine Festkörperverbindung zu bilden. Als Teil des offenbarten Verfahrens ist ein Vorsprung auf einer Passfläche von mindestens einem Paar angrenzender, sich überlappender Kupferwerkstücke vorgesehen. Der Vorsprung ragt über einen umgebenden Grundabschnitt der Passfläche hinaus und dient dazu, den Stromfluss durch die Kupferwerkstücke zunächst so zu konzentrieren, dass ein relativ schneller und gezielter Wärmeanstieg entsteht. Dieser schnelle Wärmeanstieg reicht aus, um eine metallurgische Verbindung zwischen den Kupferwerkstücken - entweder der Festkörper- oder der Schmelzvariante - zu bilden und gleichzeitig einen insgesamt niedrigen Energieeintrag zu erhalten. Darüber hinaus kann in bestimmten Ausführungsformen ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial zwischen den Kupferwerkstücken angeordnet werden, um die Bildung der metallurgischen Verbindung zu erleichtern und/oder der elektrische Strom kann mittels kapazitiver Entladung durch die Kupferwerkstücke geleitet werden.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 1-10 ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines ersten Kupferwerkstücks 10 und eines zweiten Kupferwerkstücks 12 veranschaulicht. Hier ist ein Werkstückstapel 14 vorgesehen, der das erste Kupferwerkstück 10 und das zweite Kupferwerkstück 12 für das Widerstandspunktschweißen mit einer Widerstandspunktschweißvorrichtung 16 beinhaltet. Im zusammengesetzten Zustand im Werkstückstapel 14 liegen das erste Kupferwerkstück 10 und das zweite Kupferwerkstück 12 benachbart zueinander und überlappen sich zumindest teilweise. Das erste Kupferwerkstück 10 beinhaltet eine erste Passfläche 18 und das zweite Kupferwerkstück 12 beinhaltet eine zweite Passfläche 20, die der ersten Passfläche 18 gegenüberliegt. Die überlappenden und gegenüberliegenden Passflächen 18, 20 bilden eine Passschnittstelle 22 zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 12. Die Passschnittstelle 22 bezieht sich damit weitestgehend auf die gegenüberliegende erste und zweite Passfläche 18, 20 der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12, obwohl, wie nachfolgend näher erläutert wird, Teile dieser Flächen 18, 20 zunächst durch einen Spalt voneinander getrennt werden können, bevor ein elektrischer Strom durch die Kupferwerkstücke 10, 12 fließt. Jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 kann eine Dicke von 101, 121 aufweisen, die im Bereich von 1,0 mm bis 4,0 mm liegt.
Jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 kann aus unlegiertem Kupfer bestehen, das mindestens 99,3 Gew.-% Kupfer und vorzugsweise mindestens 99,9 Gew.-% Kupfer beinhaltet, wobei der Rest aus vertretbaren Verunreinigungen besteht. Einige Beispiele für geeignete unlegierte Kupferzusammensetzungen sind beispielsweise bestimmte geschmiedete und gegossene Kupfer. Geeignete geschmiedete Kupfer sind die Kupfer, die als C10100-C15760 bezeichnet werden und insbesondere sauerstofffreies Kupfer, sauerstoffhaltiges Kupfer, phosphordesoxidiertes Kupfer und frei bearbeitendes Kupfer beinhalten. Geeignete gegossene Kupfer sind jene, die als C80100-C81200 bezeichnet werden. Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 aus einer Hochkupferlegierung bestehen, die zwischen 94 Gew.-% und 99,2 Gew.-% Kupfer beinhaltet, wobei ein oder mehrere Legierungselemente den Rest bilden. Das eine oder die mehreren Legierungselemente können ausgewählt werden aus Cr, Zr, Mg, Fe, P, Be, Co, S, Te und Pb. Geeignete geschmiedete Hochkupferlegierungen werden üblicherweise als C16200-C19750 und geeignete gegossene Hochkupferlegierungen als C81300-C82800 bezeichnet. Der Begriff „Kupferwerkstück“, wie hierin verwendet, umfasst somit ein Werkstück aus unlegiertem Kupfer oder einer Hochkupferlegierung. Die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 können beide aus unlegiertem Kupfer, beide aus einer Hochkupferlegierung oder eines der Kupferwerkstücke 10, 12 kann aus unlegiertem Kupfer bestehen, während das andere Kupferwerkstück 10, 12 aus einer Hochkupferlegierung besteht.
Das erste Kupferwerkstück 10 kann mindestens einen Vorsprung 24 auf der Passfläche 18 beinhalten, wie in 2 am besten dargestellt. Der Vorsprung 24 ragt über eine umgebende Basisfläche 26 der ersten Passfläche 18 hinaus und kontaktiert die zweite Passfläche 20 direkt oder indirekt, sodass ein Spalt 28 zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20 außen am Vorsprung 24 entsteht. Der direkte Kontakt zwischen dem Vorsprung 24 und der zweiten Passfläche 20 tritt auf, wenn ein physischer Kontakt zwischen dem Vorsprung 24 und der zweiten Passfläche 20 besteht. Indirekter Kontakt zwischen dem Vorsprung 24 und der zweiten Passfläche 20 tritt auf, wenn zwischen dem Vorsprung 24 und der zweiten Passfläche 20 ein dazwischenliegendes Material vorhanden ist, jedoch Kontaktkontinuität (d.h. keine Spalten) zwischen dem Vorsprung 24 und dem dazwischenliegenden Material und der zweiten Passfläche 20 besteht. Dabei kann der Vorsprung 24 eine Vielzahl von Formen und Konturen annehmen. Wie hier in 2 dargestellt, kann der Vorsprung 24 beispielsweise halbkugelförmig sein. In weiteren Ausführungsformen und wie nachfolgend näher beschrieben, kann der Vorsprung 24 jedoch kugelförmig, pyramidenförmig, konisch, kegelstumpfförmig, beringt oder jede andere denkbare Form annehmen, die sich über die umgebende Basisfläche 26 hinaus erstreckt und in der Lage ist, den Spalt 28 zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20 außerhalb des Vorsprunges 24 zu schaffen. Bei bestimmten Anwendungen kann der Vorsprung 24 über eine umgebende Basisfläche 26 der ersten Passfläche 18 hinaus auf eine Höhe 241 von mindestens 0,5 mm ragen. Enger gefasst kann der Vorsprung 24 eine konvexe Kuppel mit einer Höhe von 241 zwischen 0,5 mm und 2,5 mm und einem Durchmesser entlang der umgebenden Basisfläche 26 von 0,5 mm bis 2,0 mm aufweisen.
Der Vorsprung 24 kann in der ersten Passfläche 18 gemäß zahlreichen Möglichkeiten gebildet werden. Genauer gesagt, und abhängig von mehreren Faktoren, einschließlich der gewünschten Form und Kontur, kann der Vorsprung 24 durch mechanische Verformung des ersten Kupferwerkstücks 10, durch Aufbringen eines Kupfermaterials auf das Kupferwerkstück 10 oder auf andere Weise gebildet werden. Hinsichtlich der ersten Option kann das erste Kupferwerkstück 10 mechanisch verformt werden, um das Material des ersten Kupferwerkstücks 10 in den Vorsprung 24 zu verdrängen. Wie in 3 dargestellt, kann beispielsweise der Vorsprung 24 durch ein Stanzverfahren gebildet werden. Beim Stanzen wird das erste Kupferwerkstück 10 auf einem Trägersubstrat 30, wie beispielsweise einem Amboss, gestützt, das eine Vertiefung 32 mit einer komplementären Form zu dem auszubildenden Vorsprung aufweist. Von einer Rückseitenfläche 36 des ersten Kupferwerkstücks 10 wird ein Stempel 34 in das erste Kupferwerkstück 10 eingetrieben. Der Stempel 34 presst in das erste Kupferwerkstück 10 ein und verformt es plastisch, während das Material des ersten Kupferwerkstücks 10 in die Vertiefung 32 gedrückt wird. Dabei wird das Material des Kupferwerkstücks über die Basisfläche 26 der ersten Passfläche 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Werkstücke 10 in Form des Stempels 34 zur Herstellung des Vorsprungs 24 verdrängt. Anschließend wird der Stempel 34 zurückgezogen und hinterlässt einen Abdruck 38 in der Rückseite 36 hinter dem Vorsprung 24, während das erste Kupferwerkstück 10 vom Trägersubstrat 30 entfernt wird.
Der Vorsprung 24 kann auch auf andere Weise gebildet werden, die von der mechanischen Verformung des ersten Kupferwerkstücks 10 und der Verdrängung des Materials in den Vorsprung 24 abhängig sind. In einem alternativen Ansatz, wie in 4 dargestellt, kann der gleiche Stanzvorgang wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden, mit der Ausnahme, dass innerhalb des Trägersubstrats 30' keine Vertiefung vorhanden ist. Auf diese Weise wird die Rückseitenfläche 36' des ersten Kupferwerkstücks 10 auf dem Trägersubstrat 30' abgestützt und der Stempel 34 in die erste Passfläche 18 eingetrieben. Der Stempel 34 drückt wie bisher in das erste Kupferwerkstück 10 ein und verformt es plastisch, jedoch wird hier Material aus dem Kupferwerkstück 10 nach oben und um den Stempel 34 herum in die entgegengesetzte Richtung der Krafteinwirkung des Stempels 34 verdrängt, da die Rückseitenfläche 36 des Werkstücks 10 vollständig gegen das Trägersubstrat 30' abgestützt ist. Infolgedessen wird das Material des Kupferwerkstücks über die Basisfläche 26 der ersten Passfläche 18 hinaus in Form eines vorstehenden Rings, der eine eindringende Vertiefung 40 umgibt, verdrängt. Es können auch andere Möglichkeiten genutzt werden, obwohl sie hier nicht dargestellt werden, wie beispielsweise das mechanische Stauchen.
Wie bereits erwähnt, kann der Vorsprung 24 auch durch Aufbringen von Kupfermaterial auf das Kupferwerkstück 10 gebildet werden. Diese Option kann angewandt werden, wenn die Vorsprünge 24 einfach auf die erste Passfläche 18 aufgebracht werden sollen, ohne dass das erste Kupferwerkstück 10 mechanisch verformt werden muss. Wie zum Beispiel in 5 dargestellt, kann ein Kupfermaterial 42 (entweder aus unlegiertem Kupfer oder einer Hochkupferlegierung) so auf das erste Kupferwerkstück 10 aufgebracht werden, dass es über die umgebende Basisfläche 26 der ersten Passfläche 18 hinausragt und den Vorsprung 24 bildet. Das Kupfermaterial 42 kann unterschiedlichste Formen und Konturen annehmen und kann über eine Grenzflächenverbindung 44, wie beispielsweise eine Lötverbindung oder eine Festkörperverbindung, am ersten Kupferwerkstück 10 befestigt werden. Für das Aufbringen des Kupfermaterials 42 auf das erste Kupferwerkstück 10 als Vorsprung 24 stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, einschließlich des in der Anmeldung US2016/0008911 offenbarten Kaltmetall-Transfer-Verfahrens durch oszillierendes Draht-Lichtbogenschweißen, dessen gesamter Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen wird. Als weiteres Beispiel kann das Kupfermaterial 42 über das Vakuum-Kugel-Heftschweißverfahren abgeschieden werden. Darüber hinaus gibt es weitere Möglichkeiten, den Vorsprung 24 zu bilden, die nicht auf mechanische Verformung oder die Abscheidung des Kupfermaterials 42 aufbauen. Diese anderen Möglichkeiten können das Laserritzen oder das chemische Ätzen des ersten Kupferwerkstücks 10 sein, um den Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 zu bilden.
Wie in 6 repräsentativ veranschaulicht, können auf der ersten Passfläche 18 des ersten Kupferwerkstücks 10 mehr als ein Vorsprung 24 gebildet werden. Tatsächlich kann eine Vielzahl von Vorsprüngen 24 vorliegen, von denen jede gleich oder verschieden von der anderen der Vielzahl von Vorsprüngen 24 sein kann. Wie hier dargestellt, können beispielsweise vier Vorsprünge 24 mit ähnlichen Formen und Konturen auf der ersten Passfläche 18 in einer Diamantanordnung gebildet werden, obwohl mehr oder weniger Vorsprünge 24 durchaus in einer Vielzahl von vorgegebenen oder zufälligen Anordnungen vorliegen können. Bei bestimmten bevorzugten Anwendungen, von zwei bis zehn oder etwas schmaler von drei bis sechs, können sich an der ersten Passfläche 18 Vorsprünge 24 bilden. Alle der Vielzahl von Vorsprüngen 24 können unabhängig voneinander an der ersten Passfläche 18 durch eines der vorstehend erläuterten Verfahren gebildet werden. Darüber hinaus kann das erste Kupferwerkstück 10, wenn alle der Vielzahl von Vorsprüngen 24 gleich aufgebaut werden sollen, durch Walzen eines zylindrischen Werkzeugs mit gerändelter Oberfläche über das erste Kupferwerkstück 10 mechanisch verformt werden, um die Vielzahl von Vorsprüngen 24 auf der ersten Passfläche 18 in einem einzigen Schritt zu bilden, im Gegensatz zum individuellen Formen der Vielzahl von Vorsprüngen 24.
Das offenbarte Verfahren nutzt den mindestens einen Vorsprung 24, der auf der ersten Passfläche 18 des ersten Kupferwerkstücks 10 ausgebildet ist, um die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 widerstandspunktschweißbar zu machen. Zu diesem Zweck wird der Werkstückstapel 14 im zusammengesetzten Zustand bereitgestellt. Nach dem Aufstapeln des Werkstücks 14 wird eine Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 ausgeübt, die den Vorsprung 24 der ersten Passfläche 18 gegen die zweite Passfläche 20 entweder direkt oder durch ein dazwischenliegendes Material drückt, und ein elektrischer Strom wird durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 geleitet wird. Dieser elektrische Strom fließt zunächst durch den Vorsprung 24, um gegenüber den ersten beiden Kupferwerkstücken 10, 12 innerhalb des Vorsprungs 24 Wärme zu erzeugen und zu konzentrieren. Die innerhalb des Vorsprungs 24 erzeugte Wärme führt schließlich dazu, dass der Vorsprung 24 unter der aufgebrachten Druckkraft einbricht. Dadurch werden die erste Passfläche 18 und die zweite Passfläche 20 in einen breiteren Grenzflächenkontakt entlang ihrer Passschnittstelle 22 gebracht, wobei die Passflächen 18, 20 entweder durch Sintern oder durch Vermischen von geschmolzenem Kupfer zusammenwirken. Letztendlich wird die Durchleitung des elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 zum Abkühlen der Werkstücke 10, 12 beendet. Nach dem Abkühlen wird eine metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 12 über ihre Passschnittstelle22 an einer Stelle hergestellt, an welcher der Vorsprung 24 eingebrochen ist.
Mit Bezug zurück auf 1 ist die dargestellte Widerstandspunktschweißvorrichtung 16 eine besondere Vorrichtung, die dazu geeignet ist, das offenbarte Verfahren durchzuführen. Die Widerstandspunktschweißvorrichtung 16 beinhaltet eine Schweißzange 50 (teilweise dargestellt), ein Netzteil 52, einen Transformator 54, einen Gleichrichter 56 und eine Schweißsteuerung 58. Die Schweißzange 50 kann auf einem Roboter oder auf einem stationären Sockel montiert werden. Die Schweißzange 50 beinhaltet einen ersten Zangenarm 60 und einen zweiten Zangenarm 62, die mechanisch aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Diese Zangenarme 60, 62 können in einer C-Konfiguration, einer X-Konfiguration oder einer anderen Konfiguration angeordnet werden. Der erste Zangenarm 60 hält eine erste Punktschweißelektrode 64 mit einer ersten Schweißfläche 66 und der zweite Zangenarm 60 hält eine zweite Punktschweißelektrode 68 mit einer zweiten Schweißfläche 70. Jede der ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 kann aus einer Kupferlegierung gebildet werden, wie beispielsweise einer Zirkonium-Kupfer-Legierung (ZrCu), die etwa 0,10 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Zirkonium und Kupfer als Saldomaterial enthält. Kupferlegierungen, die diese Bestandteilkomposition erfüllen und als C15000 gekennzeichnet sind, werden bevorzugt. Andere Kupferlegierungszusammensetzungen, die geeignete mechanische und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften besitzen, können ebenfalls verwendet werden. Ein Mechanismus für die Kühlung der ersten und zweiten Schweißelektroden 64, 68 mit Wasser wird ebenfalls typischerweise in die Zangenarme 60, 62 integriert, um die Temperaturen der Punktschweißelektroden 64, 66 im Einsatz zu verwalten.
Die Stromversorgung 52, der Transformator 54 und der Gleichrichter 56 sind elektrisch mit den ersten und zweiten Punktschweißelektroden 62, 66 verbunden und liefern den elektrischen Strom, der während des Schweißens zwischen den Elektroden 64, 68 ausgetauscht wird. Die Stromversorgung 52 empfängt einen Dreiphasen-Netzwechselstrom und liefert einen Hochspannungs-Eingangswechselstrom zur Versorgung des Transformators 54. So kann beispielsweise der Netzwechselstrom zuerst gleichgerichtet werden und dann durch Invertierung innerhalb der Stromversorgung 52 zum Herstellen eines Einphasen-Eingangswechselstrom, üblicherweise einem Rechteckwechselstrom von höherer Spannung, eingespeist werden. Der Eingangswechselstrom wird zu einer Primärwicklung 72 des Transformators 54, üblicherweise bei 1000 Hz, gespeist, was einen magnetischen Fluss erzeugt, der in einer Sekundärwicklung 74 des Transformators 54 einen Wechselstrom mit niedrigerer Spannung und höherer Leistung induziert. Der Wechselstrom in der Sekundärwicklung 74 wird dann dem Gleichrichter 56 zugeführt, wobei eine Ansammlung von Halbleiterdioden den zugeführten Wechselstrom in einen niederwelligen Gleichstrom umwandelt, der als elektrischer Strom durch die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 zugeführt werden kann. Der Transformator 54 und der Gleichrichter 56 können zu einem einzelnen Gehäuse kombiniert werden, wie beispielsweise einem Mittelfrequenz-Gleichstromschweißgerät (MFDC), das über verschiedene Quellen wie ARO Welding Technologies (US-Zentrale in Chesterfield Township, Michigan) und Bosch Rexroth (US-Zentrale in Charlotte, North Carolina) auf dem Markt erhältlich ist.
Die Schweißsteuerung 58 steuert die Art und Weise, wie der elektrische Strom zwischen den ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 geliefert wird. Die Schweißsteuerung 58 kann mit dem Transformator 54 verbunden werden und ermöglicht die Eingabe eines Schweißplans, der die Wellenform des elektrischen Stroms, der zwischen den Punktschweißelektroden 64, 68 während eines Schweißvorgangs ausgetauscht wird, festlegt und verwaltet. Die Schweißsteuerung 58 kann so eingestellt werden, dass sie den elektrischen Strom auf einem konstanten Stromniveau verwaltet, oder sie kann so eingestellt werden, dass sie den elektrischen Strom als eine Reihe von Stromimpulsen verwaltet, die im Laufe der Zeit konstante oder steigende Spitzenströme aufweisen können. Abhängig von der Zusammensetzung der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12, der Dicke der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12, der Größe und Form des Vorsprungs 24, der Anzahl der Vorsprünge 24 und ob zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 12 eine dazwischenliegende Reaktionsmaterialschicht (siehe nachstehend) vorhanden ist oder nicht, kann die Schweißsteuerung 58 beliebige Schweißpläne ausführen.
Immer noch unter Bezugnahme auf 1 wird das offenbarte Verfahren unter Verwendung der Widerstandspunktschweißvorrichtung 16 durchgeführt, indem zunächst der Werkstückstapel 14 vorgesehen ist. Der Werkstückstapel 14 kann durch Zusammenfügen des Stapels 14 vorgesehen werden, wobei die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 so zusammengeführt werden können, dass sich die Werkstücke 10, 12 und ihre jeweiligen Passflächen 18, 20 so gegenüberstehen, dass der mindestens eine Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 (entweder direkt oder indirekt) mit der zweiten Passfläche 20 an einer Fügestelle 76 in Kontakt kommt, an der schließlich eine metallurgische Verbindung (10) hergestellt wird. Die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 können mit geeigneten Haltevorrichtungen oder anderer Prozesshardware als Werkstückstapel 14 zusammengesetzt und zusammengehalten werden. Nachdem der Werkstückstapel 14 im zusammengesetzten Zustand bereitgestellt wurde, wird der Stapel 14 zwischen den ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 zur Vorbereitung des Schweißens relativ zur Schweißzange 50 positioniert. Abhängig von der Gestaltung des Gesamtprozesses kann es sich dabei um eine Roboterbewegung der Schweißzange 50 in räumlicher Beziehung zum Werkstückstapel 14 handeln oder um die Beförderung des Werkstückstapels 14 zur Schweißzange 50.
Einmal in Position, werden die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 verwendet, um den elektrischen Strom durch den Werkstückstapel 14 und über die Passschnittstelle 22 der aneinander angrenzenden überlappenden Kupferwerkstücke 10, 12 an der Fügestelle 76 zu leiten. In diesem Zusammenhang wird die Schweißzange 50 betrieben, um die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 gegen gegenüberliegende erste und zweite Seiten 78, 80 des Werkstückstapels 14, wie in 7 am besten dargestellt, zu konvergieren, wobei die erste Seite 78 des Stapels 14 durch eine freigelegte Rückfläche 82 des ersten Kupferwerkstücks 10 (welche die gleiche Fläche wie die Rückseite 36, 36' gemäß den 3-4 ist) und die zweite Seite des Stapels 14 durch eine freigelegte Rückseite 84 des zweiten Kupferwerkstückes 12 bereitgestellt wird. Insbesondere wird die erste Schweißfläche 66 der ersten Punktschweißelektrode 64 gegen die freiliegende Rückseite 82 des ersten Kupferwerkstücks 10 und die zweite Schweißfläche 70 der zweiten Schweißelektrode 68 gegen die freiliegende Rückseite 84 des zweiten Kupferwerkstücks 12 zueinander ausgerichtet gepresst. Die erste Schweißfläche 66 kann, wie dargestellt, durch das Verfahren zum Bilden des Vorsprungs (z. B. Stanzen) zumindest teilweise den in der freiliegenden Rückseite 82 des ersten Kupferwerkstücks 10 hinter dem Vorsprung 24 verbleibenden Abdruck 38 überdecken.
Die Konvergenz der ersten und zweiten Punktschweißelektrode 64, 68 gegen das erste bzw. zweite Kupferwerkstück 10, 12 erzeugt eine Druckkraft 86 gegen die Werkstücke 10, 12 an der Fügestelle 76. Die Druckkraft 86 drückt den Vorsprung 24 an der ersten Passfläche 18 gegen die zweite Passfläche 20 entweder direkt oder indirekt durch ein dazwischenliegendes Material. Die durch die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 aufgebrachte Druckkraft 86 liegt vorzugsweise im Bereich von 250 lbf (Pfundkraft) bis 1000 lbf oder genauer von 350 1bf bis 500 lbf. Nach Erreichen der Druckkraft 86 wird ein elektrischer Strom zwischen den ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 und durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 geleitet. Dieser elektrische Strom ist vorzugsweise ein Gleichstrom, der von dem der Schweißzange 50 zugeordneten Gleichrichter 56 zugeführt wird. Der elektrische Strom kann im Laufe der Zeit konstant oder gepulst sein, gemäß einem Schweißplan, der durch die Schweißsteuerung 58 steuerbar ist. In einer bestimmten Ausführungsform wird der elektrische Strom jedoch mit einem konstanten Stromniveau im Bereich von 25 kA bis 35 kA geleitet, wie in dem in 8 dargestellten Schweißplan dargestellt. Der elektrische Strom kann 5 ms bis 20 ms bis zum Erreichen seines konstanten Stromniveaus benötigen und kann dann für einen Zeitraum von 30 ms bis 100 ms nominal auf diesem Stromniveau gehalten werden, bevor er auf 0 kA abfällt.
Der elektrische Strom, der durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 geleitet wird, fließt zunächst durch den auf der ersten Passfläche 18 enthaltenen Vorsprung 24, da dies der einzige direkte elektrische Weg zwischen den Kupferwerkstücken 10, 12 innerhalb der Fügestelle 76 zum Zeitpunkt des Beginns des Stromflusses ist. Der anfängliche Stromfluss durch den Vorsprung 24 erhöht die Stromdichte des durchfließenden elektrischen Stroms über die Passschnittstelle 22 der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 um den Faktor zehn oder mehr gegenüber der Stromdichte des elektrischen Stroms an den Grenzflächen der Schweißflächen 66, 70 und deren jeweiligen Rückseitenflächen 82, 84 der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12. Die im Vorsprung 24 erreichte erhöhte Stromdichte erzeugt und konzentriert Wärme innerhalb des Vorsprungs 24, solange der Vorsprung 24 strukturell intakt ist. Dieser konzentrierte Wärmeschub erweicht zumindest den Vorsprung 24 sowie die unmittelbar angrenzenden Bereiche der ersten und zweiten Passflächen 18, 20 und kann sogar schmelzen.
Beim Durchgang des elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 und als Folge der im Vorsprung 24 erzeugten lokal konzentrierten Wärme kollabiert der Vorsprung 24 und die ersten und zweiten Passflächen 18, 20 werden entlang der Passschnittstelle 22 der Kupferwerkstücke 10, 12, wie in 9 dargestellt, in breiteren Grenzflächenkontakt gebracht, wodurch der starke Anstieg der Stromdichte, der zuvor vor dem Kollabieren des Vorsprungs 24 vorherrschte, aufgehoben wird. Zum Zeitpunkt des Einbrechens des Vorsprungs 24 und während noch Strom fließt, wirken die ersten und zweiten Passflächen 18, 20 (im Allgemeinen dargestellt durch die Pfeile 88) in einer Weise zusammen, die zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung führt. Eine derartiges Zusammenwirken zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20 kann dabei in Form des Erweichens und Diffundierens von Festkörperpartikeln ohne Schmelzen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 oder durch Schmelzen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 an ihren einander kontaktierenden Passflächen 18, 22 erfolgen, sodass die geschmolzenen Teile der Passflächen 18, 22 die Passflächen 22 aufnehmen und in ein gemeinsames Becken einmünden, das sich in jedes der Kupferwerkstücke 10, 12 erstreckt.
Die Durchleitung des elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 endet schließlich. Bei Wegfall des Stromflusses kühlen die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit relativ schnell ab. Nach dem Abkühlen wird eine metallurgische Verbindung 90 in Form einer Festkörperverbindung oder einer Schmelzverbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 12 über deren Passschnittstelle 22 an der Fügestelle 76 hergestellt, wobei der Vorsprung 24 zunächst vorhanden war und später eingebrochen ist, wie in 10 abgebildet. Die metallurgische Verbindung 90 entsteht durch das Zusammenwirken 88 zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20 infolge der Wärmekonzentration innerhalb des Vorsprungs 24 und den unmittelbar umgebenden Teilen der Passflächen 18, 20. Nachdem die metallurgische Verbindung 90 hergestellt ist, fährt die Schweißzange 50 die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 ein, wobei nun der verbundene Werkstückstapel 14 aus der Punktschweißvorrichtung 16 entnommen oder an einer anderen Stelle, an der auf die gleiche Weise geschweißt werden soll, neu ausgerichtet wird.
Die Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird mit mindestens einem Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 und einer Standardkonstruktion für die Schweißzange 52 ausgeführt. Obwohl dies möglich ist, sind auch andere Ausführungsformen denkbar, einschließlich der nachfolgend beschriebenen in Verbindung mit den 11-15. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen werden zur Kennzeichnung entsprechender Merkmale ähnliche Zahlen verwendet, und folglich gilt die obige Beschreibung der entsprechenden Merkmale, sofern nicht anders angegeben. In einer bestimmten Ausführungsform, wie in 11 dargestellt, kann die hier mit der Kennziffer 116 gekennzeichnete Widerstandspunktschweißvorrichtung eine Kondensatorbank 200 beinhalten, sodass der elektrische Strom zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 12 unvermittelter als in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform geleitet werden kann. Die Kondensatorbank 200 beinhaltet eine Vielzahl von Kondensatoren, die in Reihe oder parallel geschaltet sind und Energie in Form eines elektrischen Feldes speichern können. Diese Energie kann später abgeführt werden, um den elektrischen Strom, der durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 fließt, bereitzustellen, wenn auch rascher als bei der in 1 dargestellten standardmäßigen Schweißzangenkonfiguration mit der gleichen Schweißzange 50.
In der Ausführungsform von 11 beinhaltet die Widerstandspunktschweißvorrichtung 116 beispielsweise eine Stromversorgung 202, die Kondensatorbank 200, einen Impulstransformator 204 und eine Schweißsteuerung 206. Die Stromversorgung 202 empfängt einen Dreiphasen-Netzwechselstrom und liefert einen Hochspannungs-Eingangswechselstrom zur Versorgung des Kondensatorbank 200. So kann beispielsweise der Netzwechselstrom durch einen Hochspannungstransformator geleitet und innerhalb der Stromversorgung 202 in Gleichstrom umgewandelt werden, um den Hochspannungs-Eingangsgleichstrom zu erzeugen. Der Eingangsgleichstrom wiederum wird der Kondensatorbank 200 zum Speichern und Akkumulieren von Energie zugeführt. Wenn ein elektrischer Strom für den Durchgang durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 erforderlich ist, wird ein Schalter 208 (z. B. ein IGBT, ein SCR, usw.) geschlossen und die in der Kondensatorbank 200 gespeicherte Energie wird schnell in eine Primärwicklung 210 des Impulstransformators 204 entladen, was einen magnetischen Fluss erzeugt, der in einer Sekundärwicklung 212 des Transformators 204 einen Gleichstromimpuls mit niedrigerer Spannung und höherer Leistung induziert, der als elektrischer Strom durch die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 zugeführt werden kann. Die Kondensatorbank 200 und der Impulstransformator 204 können zu einem einzelnen Gehäuse kombiniert werden, das als kapazitiver Entladungsschweissgerät bekannt ist und von verschiedenen Quellen wie T.J. Snow Company (Chattanooga, Tennessee) im Handel erhältlich ist. Die Schweißsteuerung 206 kann mit dem Impulstransformator 204 zusammenwirken, um die Art der Stromzufuhr zwischen den ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68 zu steuern.
Bei der Verwendung der kapazitiven Entladung zum Erzeugen des elektrischen Stroms für die ersten und zweiten Punktschweißelektroden 64, 68, der durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 geleitet wird, steigt der elektrische Strom über einen kürzeren Zeitraum auf ein höheres Spitzenstromniveau im Vergleich zu dem Stromprofil an, das für gewöhnlich mit der Widerstandspunktschweißvorrichtung 16 von 1 erzeugt wird, wie in dem Schweißplan in 8 dargestellt ist. So kann beispielsweise in einer repräsentativen Ausführungsform der elektrische Strom, der durch die Entladungskondensatorbank 190 geleitet wird, über einen Zeitraum von 2,0 ms bis 10 ms auf einen Spitzenstrom von 30 kA bis 80 kA ansteigen, wie im Schweißplan in 12 ersichtlich. Der elektrische Strom kann dann über einen Zeitraum von 5,0 ms bis 20 ms abfallen oder abklingen, bevor er unter 1,0 kA fällt. Die kürzere Dauer des elektrischen Stroms, der durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 mittels kapazitiver Entladung geleitet wird, ist bemerkenswert, da sie zu einer reduzierten Energiezufuhr in die Werkstücke 10, 12 führen kann, obwohl der elektrische Strom kurzzeitig auf ein höheres Stromniveau ansteigt. Die Widerstandspunktschweißvorrichtung 116 und ihre Verwendung der kapazitiven Entladung zum Bereitstellen des elektrischen Stroms, der durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 geleitet wird, kann daher den Vorteil haben, die metallurgische Verbindung 90 (10) zwischen den Werkstücken 10, 12 herzustellen und gleichzeitig die Gefahr einer thermischen Schädigung nahegelegener wärmeempfindlicher Materialien zu minimieren.
In noch einer weiteren Ausführungsform und unter Bezugnahme auf 13 kann die zweite Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks, die mit den Bezugsziffern 120 bzw. 112 gekennzeichnet ist, auch mindestens einen Vorsprung 124 beinhalten. Wie der mindestens eine Vorsprung 24 an der ersten Passfläche 18 steigt der mindestens eine Vorsprung 124 an der zweiten Passfläche 120 über eine umgebende Basisfläche 126 der zweiten Passfläche 120 hinaus auf und kontaktiert die erste Passfläche 18 direkt oder indirekt. Der Vorsprung 124 auf der zweiten Passfläche 120 kann mit der ersten Passfläche 18 am Vorsprung 24 der ersten Passfläche 18 in Kontakt kommen oder die Vorsprünge 24, 124 können gegeneinander versetzt sein. Durch die Verwendung des Vorsprungs 124 auf der zweiten Passfläche 120 in Verbindung mit dem Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 kann die Wärmekonzentration innerhalb der Fügestelle 76 bis zum Einbruch der Vorsprünge 24, 124 verstärkt werden, um die ersten und zweiten Passflächen 18, 20 in einen breiteren Grenzflächenkontakt entlang der Passfläche 22 zu bringen. Der auf der zweiten Passfläche 120 enthaltene Vorsprung 124 kann durch eines der vorstehend in Verbindung mit den 3-5 beschriebenen Verfahren gebildet werden. Ebenso wie mit dem Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 kann der Vorsprung 124 auf der zweiten Passfläche eine Vielzahl von Vorsprüngen 124 beinhalten.
In der hier in 13 dargestellten Ausführungsform kontaktieren sich der Vorsprung 24 der ersten Passfläche 18 und der Vorsprung 124 der zweiten Passfläche 120 (direkt oder indirekt durch ein dazwischenliegendes Material) und werden beim Aufbringen der Druckkraft 86 (7) auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 112 gegeneinander gedrückt. Wenn folglich der elektrische Strom zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 112 geleitet wird, fließt der Strom zunächst durch jeden der Vorsprünge 24, 124, da dies der einzige direkte elektrische Weg zwischen den Kupferwerkstücken 10, 112 innerhalb der Fügestelle 76 zum Zeitpunkt des Beginns des Stromflusses ist. Der anfängliche Stromfluss durch die Vorsprünge 24, 124 erzeugt und konzentriert Wärme innerhalb der Vorsprünge 24, 124. Dieser konzentrierte Wärmeschub erweicht zumindest jeden der Vorsprünge 24, 124 sowie die unmittelbar angrenzenden Bereiche der ersten und zweiten Passflächen 18, 20 und kann sogar schmelzen. Die konzentrierte Wärme führt schließlich dazu, dass jeder der Vorsprünge 24, 124 einbricht. Zum Zeitpunkt des Einbrechens der Vorsprünge 24, 124 und während des Stromflusses wirken die ersten und zweiten Passflächen 18, 20 wie zuvor beschrieben zusammen und beim Abkühlen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 112 entsteht eine metallurgische Verbindung ähnlich der in 10 dargestellten Verbindung 90.
In einer weiteren Ausführungsform und wie in 14 dargestellt, kann zur leichteren Herstellung der metallurgischen Verbindung 90 zwischen der ersten Passfläche 18 und der zweiten Passfläche 20, 120 ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial 214 eingebracht werden. Die dazwischenliegende Reaktionsmaterialschicht 214 ist eine Kupferlegierung, die eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist (d. h. elektrisch widerstandsfähiger ist) als jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12, 112 und vorzugsweise zwischen 2,0 Gew.-% und 10 Gew.-% Phosphor beinhaltet. In einer bestimmten Ausführungsform kann das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 eine Cu-P-Ag-Kupferlegierung sein, die Kupfer und zwischen 3 Gew.-% und 8 Gew.-% Phosphor und zwischen 0,1 Gew.-% und 20 Gew.-% Silber beinhaltet. Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 kann zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120 in Form einer abgeschiedenen Materialschicht, einer Folie, eines Bandes oder einer anderen anwendbaren Konstitution angeordnet werden. Die Anordnung des dazwischenliegenden Reaktionsmaterials 214 zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120 - zusammen mit dem mindestens einen Vorsprung 24, 124 auf der ersten Passfläche 18 oder den ersten und zweiten Passflächen 18, 120 - ermöglicht das Ausbilden der metallurgischen Verbindung 90 beim Durchleiten des elektrischen Stroms auf einem moderaten Stromniveau für einen relativ kurzen Zeitraum, was wiederum den Energieeintrag in die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12 reduzieren kann.
Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 wird zwischen der ersten Passfläche 18 und der zweiten Passfläche 20, 120 so angeordnet, dass das Material 214 zwischen dem Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 und der zweiten Passfläche 20, 120 angeordnet ist. In diesem Zusammenhang kann, wenn die zweite Passfläche 120 den mindestens einen Vorsprung 124 beinhaltet, das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 zwischen dem mindestens einen Vorsprung 24 der ersten Passfläche 18 und dem mindestens einen Vorsprung 124 der zweiten Passfläche 120 angeordnet werden, wie in 15 veranschaulicht. Wenn somit das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 vorhanden ist, kommt der Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 indirekt mit der zweiten Passfläche 20, 120 durch das Reaktionsmaterial 214 in Kontakt, unabhängig davon, ob die zweite Passfläche 20, 120 den Vorsprung 124 beinhaltet oder nicht. Die Anordnung des dazwischenliegenden Reaktionsmaterials 214 zwischen dem Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 und der zweiten Passfläche 20, 120 hilft, die anfängliche konzentrierte Wärmeentwicklung innerhalb der Fügestelle 76 zu fokussieren.
Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 hilft bei der Herstellung der metallurgischen Verbindung 90 durch das Reinigen der ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120 entlang ihrer Passschnittstelle 22 innerhalb der Fügestelle 76, sodass das Zusammenwirken der Passflächen 18, 20, 120 zum Übergang in die metallurgische Verbindung 90 leichter erfolgen kann. Insbesondere wenn der elektrische Strom durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12, 112 geleitet wird, erwärmt sich das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 aufgrund seiner geringeren elektrischen Leitfähigkeit schneller und verflüssigt sich zwischen den ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120. Das verflüssigte Reaktionsmaterial wird seitlich nach außen entlang der Passschnittstelle 22 ausgestoßen, wenn der Vorsprung 24 oder die Vorsprünge 24, 124 einbrechen und die ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120 unter dem Druck der aufgebrachten Druckkraft 86 näher zusammen und in breiteren Grenzflächenkontakt gebracht werden. Dabei bricht das verflüssigte Reaktionsmaterial Oberflächenoxidschichten auf und reinigt die entstehenden Oxidschichtreste und andere Materialien seitlich nach außen, wodurch gereinigte Teile der ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120 unter dem Druck der aufgebrachten Druckkraft 86 und in der durch den Vorsprung 24 auf der ersten Passfläche 18 oder den Vorsprung 24, 124 auf den ersten und zweiten Passflächen 18, 120 begünstigten, lokal erwärmten Umgebung direkt in Kontakt gebracht werden. Die durch die seitliche Verdrängung des verflüssigten Reaktionsmaterials erzielte Reinigungswirkung ist zumindest teilweise auf das Vorhandensein von Phosphor in der Kupferlegierung zurückzuführen, der beim Aufschmelzen des Reaktionsmaterials 214 als Flussmittel wirkt. Das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 ist in dieser Hinsicht selbstfließend.
Die verschiedenen Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Verfahrens können bei Bedarf miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise das dazwischenliegende Material 214 eingesetzt werden oder nicht, unabhängig davon, ob der elektrische Strom durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke 10, 12, 112 unter Verwendung der Widerstandspunktschweißvorrichtung 16 von 1 oder der Widerstandspunktschweißvorrichtung 116 von 11 geleitet wird, die eine kapazitive Entladung zum Bereitstellen des elektrischen Stroms beinhaltet. Tatsächlich ist die Verwendung der Widerstandspunktschweißvorrichtung 116 von 11 in Kombination mit dem dazwischenliegenden Reaktionsmaterial 214 geeignet, die metallurgische Verbindung 90 zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken 10, 12, 122 mit dem geringsten Gesamtenergieeintrag in die Werkstücke 10, 12, 112 herzustellen, was zur Vermeidung thermischer Schäden an nahegelegenen wärmeempfindlichen Materialien, die in Kontakt mit den ersten und/oder zweiten Kupferwerkstücken 10, 12, 112 stehen, von Nutzen sein kann. Ebenso kann die Bildung des mindestens einen Vorsprungs 24, 124 auf jeder der ersten und zweiten Passflächen 18, 20, 120 mit oder ohne das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 214 verwendet werden und jede der vorstehend beschriebenen Widerstandspunktschweißvorrichtungen 16, 116 kann verwendet werden, um den elektrischen Strom durch die Kupferwerkstücke 10, 12, 112 und ihren jeweiligen Vorsprung 24, 124 zu leiten.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen und konkreter Beispiele hat lediglich beschreibenden Charakter; sie soll den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0008911 [0020]

Claims

Verfahren zum Verbinden von angrenzenden überlappenden Kupferwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Werkstückstapels, der ein erstes Kupferwerkstück und ein zweites Kupferwerkstück beinhaltet, das angrenzend an das erste Kupferwerkstück angeordnet ist, wobei das erste Kupferwerkstück eine erste Passfläche und das zweite Kupferwerkstück eine zweite Passfläche aufweist, die der ersten Passfläche zum Herstellen einer Passfläche gegenüberliegt, und worin die erste Passfläche einen Vorsprung beinhaltet, der über eine umgebende Basisfläche der ersten Passfläche hinausragt und mit der zweiten Passfläche in Kontakt kommt; Aufbringen einer Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke, die den Vorsprung der ersten Passfläche auf die zweite Passfläche drückt; Kurzzeitiges Durchleiten eines elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke, wobei der elektrische Strom zunächst durch den auf der ersten Passfläche vorhandenen Vorsprung fließt, um Wärme innerhalb des Vorsprungs zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der Vorsprung einbricht, um die erste Passfläche und die zweite Passfläche entlang der Passfläche der ersten und zweiten Kupferwerkstücke in größeren Grenzflächenkontakt zu bringen, und worin beim Abkühlen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke eine metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken über deren Passfläche an einer Stelle hergestellt wird, an welcher der Vorsprung kollabiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die zweite Passfläche ebenfalls einen Vorsprung beinhaltet, der über eine umgebende Basisfläche der zweiten Passfläche hinausragt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Vorsprung der ersten Passfläche und der Vorsprung der zweiten Passfläche in Kontakt zueinander sind und gegeneinander gedrückt werden, wenn die Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke ausgeübt wird, und worin das Leiten des elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke zunächst das Fließen des elektrischen Stroms durch die Vorsprünge beinhaltet, um Wärme innerhalb der Vorsprünge zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor die Vorsprünge kollabieren, um die erste Passfläche und die zweite Passfläche entlang der Passschnittstelle entlang der Passschnittstelle des ersten und des zweiten Kupferwerkstücks in breiteren Grenzflächenkontakt zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin ein dazwischenliegendes Reaktionsmaterial zwischen dem Vorsprung der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche angeordnet ist, wobei das dazwischenliegende Reaktionsmaterial eine Kupferlegierung ist, die zwischen 2,0 Gew.-% und 10 Gew.-% Phosphor beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren Folgendes umfassend: Zuführen eines elektrischen Stroms zu einer Kondensatorbank, um Energie in der Kondensatorbank zu speichern; und Entladen der in der Kondensatorbank gespeicherten Energie, um den elektrischen Strom bereitzustellen, der kurzzeitig durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin jedes der ersten und zweiten Kupferwerkstücke 99,9 Gew.-% Kupfer oder mehr umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren Folgendes umfassend: Ausbilden des Vorsprungs auf der ersten Passfläche, bevor das erste Kupferwerkstück und das zweite Kupferwerkstück in den Werkstückstapel eingesetzt werden.
Verfahren zum Verbinden von angrenzenden überlappenden Kupferwerkstücken durch Widerstandspunktschweißen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden mindestens eines Vorsprungs an einer ersten Passfläche eines ersten Kupferwerkstücks, wobei der mindestens eine Vorsprung der ersten Passfläche über eine umgebende Basisfläche der ersten Passfläche hinausragt; Zusammensetzen eines Werkstückstapels, der das erste Kupferwerkstück und ein zweites Kupferwerkstück beinhaltet, das angrenzend an das erste Kupferwerkstück anliegt, worin der mindestens eine Vorsprung der ersten Passfläche des ersten Kupferwerkstücks mit einer zweiten Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks in Kontakt kommt; Aufbringen einer Druckkraft auf die ersten und zweiten Kupferwerkstücke, die den mindestens einen Vorsprung der ersten Passfläche gegen die zweite Passfläche drückt; Entladen der in einer Kondensatorbank gespeicherten Energie, um einen elektrischen Strom bereitzustellen, der innerhalb eines Zeitraums von 2,0 ms bis 10 ms auf ein Spitzenstromniveau zwischen 30 kA und 80 kA ansteigt und dann über einen Zeitraum von 5,0 ms bis 20 ms abfällt, bevor er auf unter 1 kA fällt; Bilden einer metallurgischen Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken durch Leiten des elektrischen Stroms durch die ersten und zweiten Kupferwerkstücke, wobei der elektrische Strom zunächst durch den mindestens einen Vorsprung fließt, der auf der ersten Passfläche vorhanden ist, um Wärme in dem mindestens einen Vorsprung zu erzeugen und zu konzentrieren, bevor der mindestens eine Vorsprung kollabiert, um die erste Passfläche und die zweite Passfläche in einen breiteren Grenzflächenkontakt zu bringen, und worin beim Abkühlen der ersten und zweiten Kupferwerkstücke die metallurgische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kupferwerkstücken über deren Passschnittstelle an einer Stelle hergestellt wird, an welcher der mindestens eine Vorsprung eingebrochen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend: Ausbilden mindestens eines Vorsprungs an der zweiten Passfläche des zweiten Kupferwerkstücks, wobei der mindestens eine Vorsprung der zweiten Passfläche über eine umgebende Basisfläche der zweiten Passfläche hinausragt.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend: Anordnen eines dazwischenliegenden Reaktionsmaterials zwischen der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche, sodass das dazwischenliegende Reaktionsmaterial zwischen dem Vorsprung der ersten Passfläche und der zweiten Passfläche beim Zusammensetzen des ersten Kupferwerkstücks und des zweiten Kupferwerkstücks in den Werkstückstapel angeordnet wird, wobei das dazwischenliegende Reaktionsmaterial eine Kupferlegierung ist, die zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-% Phosphor beinhaltet.