DE102019109167A1

DE102019109167A1 - WIDERSTANDSPUNKTSCHWEIßEN VON WERKSTÜCKSTAPELN, DIE STAHLWERKSTÜCKE MIT OBERFLÄCHENBESCHICHTUNGEN AUFWEISEN

Info

Publication number: DE102019109167A1
Application number: DE102019109167.5A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang; Michael J. Karagoulis; Zhenke Teng; Spyros P. Mellas
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2019-10-17
Also published as: US20190314915A1; CN110369845A

Abstract

Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, das ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet verschiedene Schritte. Das erste Stahlwerkstück kann eine erste Oberflächenbeschichtung aufweisen. Ein Schritt beinhaltet das Aufbringen eines Schweißzusatzes auf eine Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks. Ein weiterer Schritt besteht darin, eine Oberfläche des zweiten Stahlwerkstücks an den Schweißzusatz anzugrenzen. Noch ein weiterer Schritt besteht darin, eine erste Schweißelektrode und eine zweite Schweißelektrode auf dem ersten und zweiten Werkstückstapel einzuspannen. Und ein weiterer Schritt besteht darin, elektrischen Strom zwischen den ersten und der zweiten Schweißelektroden und damit durch den Schweißzusatz zu leiten. Und noch ein weiterer Schritt besteht darin, den Durchgang des elektrischen Stroms zu beenden, um eine Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Stahlwerkstück herzustellen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Fügen von metallischen Werkstücken miteinander, und insbesondere auf das Widerstandspunktschweißen von Stahlwerkstücken mit darauf befindlichen Oberflächenbeschichtungen.
Das Widerstandspunktschweißen ist ein von einer Reihe von Industriebereichen verwendetes Verfahren zum Aneinanderfügen von Metallwerkstücken. So setzt beispielsweise die Automobilindustrie das Widerstandspunktschweißen ein, um Stahlwerkstücke bei der Herstellung von Rahmenkonstruktionsteilen (z. B. Säulenverstärkungen, Trägerverstärkungen und Querträgerverstärkungen) und bei der Herstellung von Verschlusselementen (z. B. Türen, Hauben, Kofferraumdeckel und Hubtore) zusammenzufügen. Moderne hochfeste Stähle (AHSS) stellen eine Produktfamilie von Stahlwerkstoffen dar, die erst in jüngster Zeit für bestimmte Automobilhersteller eingeführt wurden. Oberflächenbeschichtungen werden häufig an Automobilbauteilen - ob aus AHSS-Materialien oder anderen Stahlwerkstoffen - zum Schutz gegenüber Umweltbelastungen außerhalb des zugehörigen Fahrzeugs und aus anderen Gründen angebracht.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels mehrere Schritte. Der Werkstückstapel beinhaltet ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück. Ein Schritt beinhaltet das Bereitstellen des ersten Stahlwerkstücks und das Bereitstellen des zweiten Stahlwerkstücks. Das erste Stahlwerkstück weist eine erste Oberflächenbeschichtung auf. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Aufbringen eines Schweißzusatzes auf eine erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks. Ein weiterer Schritt besteht darin, das zweite Stahlwerkstück mit dem ersten Stahlwerkstück zu verbinden. Eine zweite Oberfläche des zweiten Stahlwerkstücks grenzt an den Schweißzusatz an. Noch ein weiterer Schritt besteht darin, eine erste Schweißelektrode und eine zweite Schweißelektrode auf dem ersten und zweiten Werkstückstapel am Schweißzusatz einzuspannen. Ein weiterer Schritt besteht darin, elektrischen Strom zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode und durch die ersten und zweiten Stahlwerkstücke zu leiten. Der elektrische Strom fließt auch durch den Schweißzusatz. Und noch ein weiterer Schritt besteht darin, den Durchgang des elektrischen Stroms zu beenden, um eine Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Stahlwerkstück herzustellen.
In einer Ausführungsform besteht das erste Stahlwerkstück aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS) und das zweite Stahlwerkstück besteht ebenfalls aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS).
In einer Ausführungsform besteht die erste Oberflächenbeschichtung aus einem Zink-(Zn)-Material.
In einer Ausführungsform liegt die erste Oberflächenbeschichtung auf einer ersten Außenfläche des ersten Stahlwerkstücks. Die erste Außenfläche befindet sich gegenüber der ersten Oberfläche, auf die der Schweißzusatz aufgebracht wird.
In einer Ausführungsform weist das zweite Stahlwerkstück eine zweite Oberflächenbeschichtung auf. Die zweite Oberflächenbeschichtung liegt auf einer zweiten Außenfläche des zweiten Stahlwerkstücks. Die zweite Außenfläche befindet sich gegenüber der zweiten Oberfläche, an die der Schweißzusatz angrenzt.
In einer Ausführungsform besteht der Schweißzusatz aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial.
In einer Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Auftragens des Schweißzusatzes das Beschichten der ersten Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks mit dem Schweißzusatz durch thermisches Spritzen.
In einer Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Aufbringens des Schweißzusatzes das Aufschichten des Schweißzusatzes auf die erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks im Rahmen der additiven Fertigung.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Aufschichten des Schweißzusatzes auf die erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks den 3D-Druck.
In einer Ausführungsform beinhaltet die hergestellte Schweißverbindung das Material des ersten Stahlwerkstücks, ferner das Material des zweiten Stahlwerkstücks und auch das Material des Schweißzusatzes.
In einer Ausführungsform weisen die erste Schweißelektrode, die zweite Schweißelektrode oder sowohl die erste als auch die zweite Schweißelektrode eine Schweißfläche mit einem Krümmungsradius auf, der zwischen etwa 20 Millimetern (mm) liegt und im Wesentlichen flach ist.
In einer Ausführungsform weist der Schweißzusatz eine Dickenabmessung auf, die zwischen etwa 0,05 Millimeter (mm) und 2,0 mm liegt.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels mehrere Schritte. Der Werkstückstapel beinhaltet ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück. Ein Schritt beinhaltet das Bereitstellen des ersten Stahlwerkstücks und das Bereitstellen des zweiten Stahlwerkstücks. Das erste Stahlwerkstück besteht aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS) und das zweite Stahlwerkstück besteht ebenfalls aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS). Das erste Stahlwerkstück weist eine erste Passfläche auf und weist eine erste Außenfläche auf, die sich gegenüber der ersten Passfläche befindet. Ebenso weist das zweite Stahlwerkstück eine zweite Passfläche auf und weist eine zweite Außenfläche auf, die sich gegenüber der zweiten Passfläche befindet. Eine erste Oberflächenbeschichtung befindet sich auf der ersten Außenfläche, und eine zweite Oberflächenbeschichtung befindet sich auf der zweiten Außenfläche. Ein weiterer Schritt umfasst das Aufbringen eines Schweißzusatzes auf die erste Passfläche des ersten Stahlwerkstücks im Rahmen der additiven Fertigung. Ein weiterer Schritt besteht darin, das zweite Stahlwerkstück mit dem ersten Stahlwerkstück zu verbinden. Die zweite Passfläche des zweiten Stahlwerkstücks grenzt an den Schweißzusatz an. Noch ein weiterer Schritt besteht darin, eine erste Schweißelektrode und eine zweite Schweißelektrode auf dem ersten und zweiten Werkstückstapel am Schweißzusatz einzuspannen. Ein weiterer Schritt besteht darin, elektrischen Strom zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode zu leiten. Und noch ein weiterer Schritt besteht darin, den Durchgang des elektrischen Stroms zu beenden, um eine Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Stahlwerkstück herzustellen.
In einer Ausführungsform besteht die erste Oberflächenbeschichtung aus einem Zink-(Zn)-Material und die zweite Oberflächenbeschichtung besteht ebenfalls aus einem Zink-(Zn)-Material.
In einer Ausführungsform besteht der Schweißzusatz aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial.
In einer Ausführungsform weist der Schweißzusatz eine Dickenabmessung auf, die zwischen etwa 0,05 Millimeter (mm) und 2,0 mm liegt.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Aufschichten des Schweißzusatzes auf die erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks den 3D-Druck.
In einer Ausführungsform beinhaltet die hergestellte Schweißverbindung das Material des ersten Stahlwerkstücks, ferner das Material des zweiten Stahlwerkstücks und auch das Material des Schweißzusatzes.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels mehrere Schritte. Der Werkstückstapel beinhaltet ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück. Ein Schritt beinhaltet das Bereitstellen des ersten Stahlwerkstücks und das Bereitstellen des zweiten Stahlwerkstücks. Das erste Stahlwerkstück besteht aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS) und das zweite Stahlwerkstück besteht ebenfalls aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS). Das erste Stahlwerkstück weist eine erste Passfläche auf und weist eine erste Außenfläche auf, die sich gegenüber der ersten Passfläche befindet. Ebenso weist das zweite Stahlwerkstück eine zweite Passfläche auf und weist eine zweite Außenfläche auf, die sich gegenüber der zweiten Passfläche befindet. Eine erste Oberflächenbeschichtung befindet sich auf der ersten Außenfläche, und eine zweite Oberflächenbeschichtung befindet sich auf der zweiten Außenfläche. Die erste Oberflächenbeschichtung besteht aus einem Zink-(Zn)-Material und die zweite Oberflächenbeschichtung besteht ebenfalls aus einem Zink-(Zn)-Material. Ein weiterer Schritt umfasst das Aufbringen eines Schweißzusatzes auf die erste Passfläche des ersten Stahlwerkstücks im Rahmen der additiven Fertigung. Der Schweißzusatz besteht aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial. Ein weiterer Schritt besteht darin, das zweite Stahlwerkstück mit dem ersten Stahlwerkstück zu verbinden. Die zweite Passfläche des zweiten Stahlwerkstücks grenzt an den Schweißzusatz an. Noch ein weiterer Schritt besteht darin, eine erste Schweißelektrode und eine zweite Schweißelektrode auf dem ersten und zweiten Werkstückstapel am Schweißzusatz einzuspannen. Ein weiterer Schritt besteht darin, elektrischen Strom zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode zu leiten. Und noch ein weiterer Schritt besteht darin, den Durchgang des elektrischen Stroms zu beenden, um eine Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Stahlwerkstück herzustellen. Die hergestellte Schweißverbindung beinhaltet das Material des ersten Stahlwerkstücks, ferner das Material des zweiten Stahlwerkstücks und auch das Material des Schweißzusatzes.
In einer Ausführungsform weist der Schweißzusatz eine Dickenabmessung auf, die zwischen etwa 0,05 Millimeter (mm) und 2,0 mm liegt.
Figurenliste
Ein oder mehrere Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und worin gilt:

1 ist eine Seitenansicht einer Widerstandspunktschweißanordnung mit einem in Schnittansicht dargestellten Werkstückstapel;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode, die in der Widerstandspunktschweißanordnung von 1 verwendet werden kann;
3 ist eine Mikrostruktur einer Schweißverbindung eines Werkstückstapels, die ein Paar moderner hochfester Stahlwerkstücke (AHSS) mit Oberflächenbeschichtungen beinhaltet;
4 ist eine weitere Mikrostruktur einer Schweißverbindung eines Werkstückstapels, die ein Paar moderner hochfester Stahlwerkstücke (AHSS) mit Oberflächenbeschichtungen beinhaltet;
5 verdeutlicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, das ein Paar Stahlwerkstücke mit Oberflächenbeschichtungen beinhaltet; und
6 ist eine Mikrostruktur einer Schweißverbindung eines Werkstückstapels, die nach dem Widerstandspunktschweißverfahren von 5 hergestellt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahren und Anordnungen beseitigen Mängel, die beim Widerstandspunktschweißen von Werkstückstapeln auftreten, die ein oder mehrere Stahlwerkstücke mit Oberflächenbeschichtung beinhalten. Ein Schweißzusatz wird den Werkstückstapeln innerhalb des Widerstandspunktschweißverfahrens hinzugefügt. Die Zugabe minimiert nachweislich Brüche und Risse, die durch die Versprödung von Flüssigmetall (LME) und durch Widerstandspunktschweißverfahren verursacht werden, und schließt sie in einigen Fällen ganz aus. Werkstücke aus beschichteten, hochfesten Stahlwerkstoffen (AHSS) weisen insbesondere eine Minimierung und Ausgrenzung von Bruch und Rissbildung bei LME auf, wenn sie den hierin beschriebenen Verfahren und Anordnungen unterliegen. Das nachfolgend beschriebene Widerstandspunktschweißverfahren verbindet somit effektiv Stahlwerkstücke mit einer verbesserten Verbindungsqualität und Verbindungsfestigkeit. Es wird angenommen, dass die Fortschritte zum Teil auf niedrigere lokalisierte Temperaturen zurückzuführen sind, die das Widerstandspunktschweißen unter anderem mit der Zugabe des Schweißzusatzes begleiten. Und, obwohl die Verfahren und Anordnungen nachfolgend im Zusammenhang mit Fahrzeugelementen beschrieben werden, werden Fachleute wissen und verstehen, dass die Verfahren und Anordnungen unter anderem in anderen Kontexten wie Luft- und Raumfahrt, Marine-, Eisenbahn-, Bau- und Industrieanlagen eingesetzt werden können.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Widerstandspunktschweißanordnung 10 in einem Widerstandspunktschweißverfahren eines Werkstückstapels 12 verwendet. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Werkstückstapel 12 ein erstes Stahlwerkstück 14 und ein zweites Stahlwerkstück 16, die sich an einer Schweißstelle 18 überlappen und übereinanderliegen; in anderen Ausführungsformen kann der Werkstückstapel 12 jedoch mehr als zwei Werkstücke und vielmehr drei oder vier Stahlwerkstücke beinhalten, die sich an der Schweißstelle 18 überlappen und übereinander liegen. Unabhängig davon, wie viele vorhanden sind, können die Stahlwerkstücke aus dem gleichen Stahlmaterial in Bezug zueinander oder aus verschiedenen Stahlmaterialien in Bezug zueinander bestehen. Das Stahlmaterial der ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 kann unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen und kann je nach Anwendung unterschiedliche Formen annehmen. In einem Beispiel bestehen die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 aus einem modernen hochfesten Stahl-(AHSS)-Material. Ein konkretes Beispiel für ein in einigen Anwendungen geeignetes AHSS-Material wird als Stahl 980 MPa der 3. Generation bezeichnet. Dennoch sind in anderen Beispielen andere Zusammensetzungen und andere Materialbezeichnungen möglich. Das erste Stahlwerkstück 14 weist eine erste Dicke 20 auf, und das zweite Stahlwerkstück 16 weist eine zweite Dicke 22 auf. Die ersten und zweiten Dicken 20, 22 können den gleichen Wert in Bezug zueinander aufweisen oder sie können einen unterschiedlichen Wert in Bezug zueinander aufweisen. In verschiedenen Beispielen können die ersten und zweiten Dicken 20 22 zwischen ca. 0,5 Millimeter (mm) und 3,5 mm liegen. Das erste Stahlwerkstück 14 weist eine erste Außenfläche 24 und eine erste Passfläche 26 auf, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite derselben befindet, und ebenso weist das zweite Stahlwerkstück 16 eine zweite Außenfläche 28 und eine zweite Passfläche 30 auf, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite derselben befindet.
In der dargestellten Ausführungsform werden die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 beschichtet, um eine Schutzbarriere gegen bestimmte unerwünschte Bedingungen, wie beispielsweise gegen Korrosion, zu bilden, die sich durch Umwelteinflüsse außerhalb des zugehörigen Fahrzeugs ergeben könnte. Das erste Stahlwerkstück 14 weist eine erste Oberflächenbeschichtung 32 auf, die sich auf der ersten Außenoberfläche 24 befindet, und das zweite Stahlwerkstück 16 weist eine zweite Oberflächenbeschichtung 34 auf, die sich auf der zweiten Außenoberfläche 28 befindet (die Oberflächenbeschichtungen können so dünn geschichtet werden, z. B. 50 µm oder weniger, dass eine separate und eindeutige Darstellung in den FIG. nicht veranschaulicht wurde). Zusätzlich zu den ersten und zweiten Außenflächen 24, 28 können sich die ersten und zweiten Oberflächenbeschichtungen 32, 34 auf anderen Oberflächen der ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 befinden, unter anderem auf den ersten und zweiten Passflächen 26, 30. Die ersten und zweiten Oberflächenbeschichtungen 32, 34 können aus Zink (verzinkt), einer Zink-Eisen-Legierung (feuerverzinkt), einer Zink-NickelLegierung, Nickel, Aluminium, einer Aluminium-Magnesium-Legierung, einer Aluminium-Zink-Legierung oder einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehen; in anderen Beispielen sind jedoch andere Zusammensetzungen möglich. In anderen Ausführungsformen muss nur eines der Werkstücke eines bestimmten Werkstückstapels eine Oberflächenbeschichtung aufweisen; in dieser Ausführungsform muss beispielsweise das zweite Stahlwerkstück 16 keine Oberflächenbeschichtung aufweisen, sondern könnte ein blankes Stahlwerkstück ohne Oberflächenbeschichtung sein.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet die Widerstandspunktschweißanordnung 10 in dieser Ausführungsform eine erste Schweißelektrode 36 und eine zweite Schweißelektrode 38, die elektrischen Strom untereinander und durch den Werkstückstapel 12 und durch die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 an der Schweißstelle 18 leiten. Jede der ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 wird von der Schweißzange getragen, die von jeder beliebigen geeigneten Art, wie beispielsweise einer Zange vom C-Typ oder einer Zange vom X-Typ sein kann. Eine Stromversorgung 40 liefert elektrischen Strom an die ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 gemäß einem programmierten Schweißplan, der von einer Schweißsteuerung 42 verwaltet wird. Die Schweißzange kann mit Kühlmittelleitungen zum Zuführen eines Kühlmittels, wie beispielsweise Wasser, an jede der ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 ausgerüstet sein, wie es für Widerstandspunktschweißarbeiten erforderlich ist. Die Schweißzange beinhaltet einen ersten Zangenarm 44 und einen zweiten Zangenarm 46. Ein erster Schaft 48 des ersten Zangenarms 44 sichert die erste Schweißelektrode 36, und ein zweiter Schaft 50 des zweiten Zangenarms 46 sichert die zweite Schweißelektrode 38.
Unter Bezugnahme auf 2 können die ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 eine ähnliche Konstruktion aufweisen und sind im Allgemeinen zur Verwendung mit einem Stahlwerkstück wie die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 vorgesehen. Im Allgemeinen und in einem Beispiel weisen die ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 einen Elektrodenkörper 52 und eine Schweißfläche 54 auf. Die Schweißfläche 54 ist der Abschnitt der ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38, der beim Widerstandspunktschweißen mit den ersten und zweiten Außenflächen 24, 28 in Kontakt kommt. Die Schweißfläche 54 weist eine Schweißflächenoberfläche 56 auf, die im Allgemeinen eben oder sphärisch gewölbt sein kann. Bei einer sphärischen Kuppel weist die Schweißflächenoberfläche 56 ein sphärisches Profil mit einem Krümmungsradius auf, der in einem Bereich von etwa 20 mm liegt oder im Wesentlichen und im Allgemeinen flach sein kann. In anderen Beispielen sind jedoch auch andere Bereiche möglich.
In der Automobilindustrie, aber auch in anderen Industriezweigen, werden Stahlwerkstücke durch Widerstandspunktschweißverfahren zusammengefügt. Die Stahlwerkstücke können Teil größerer Automobilbauteile sein oder selbst die Automobilbauteile bilden - Beispiele für Automobilbauteile sind unter anderem Rahmenkonstruktionsteile (z. B. Säulen- und Balken- und Querträgerverstärkungen) und Verschlusselemente (z. B. Türen, Hauben, Kofferraumdeckel und Hubtore). Oberflächenbeschichtungen werden üblicherweise auf Oberflächen von Automobilbauteilen, einschließlich der vorstehend beschriebenen Oberflächenbeschichtungen, vor dem Durchführen der Widerstandspunktschweißverfahren aufgebracht. In der Produktion wurden in bestimmten Fällen Nachteile wie mikroskopische Brüche und Risse beobachtet, wobei an Stahlwerkstücken mit den Oberflächenbeschichtungen Widerstandspunktschweißungen durchgeführt werden. Die Nachteile wurden insbesondere bei Werkstücken mit beschichteten, modernen, hochfesten Stahlwerkstoffen (AHSS) beobachtet.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 sind Bruch und Rissbildung 58, die sich aus dem Auftreten eines Phänomens ergeben, das als flüssige Metallversprödung (LME) bezeichnet wird, in den dargestellten Mikrostrukturen erkennbar. In 3 wurde eine Widerstandspunktverbindung 60 zwischen einem Paar Stahlwerkstücken 62, 64 hergestellt. Die Stahlwerkstücke 62, 64 bestanden jeweils aus dem AHSS-Stahlwerkstoff 980 MPa der 3. Generation, hatten jeweils eine galvanisch verzinkte (EG) Oberflächenbeschichtung und eine Dickenabmessung von jeweils etwa 1,45 mm. Die Bruch- und Rissbildung 58 in der Mikrostruktur von 3 ist vergrößert dargestellt und geht von der Außenfläche des Stahlwerkstücks 62 an einer äußeren Grenze der Widerstandspunktverbindung 60 aus. In 4 wurde eine Widerstandspunktverbindung 66 zwischen einem Paar Stahlwerkstücken 68, 70 hergestellt. Die Stahlwerkstücke 68, 70 bestanden jeweils aus dem AHSS-Stahlwerkstoff 980 MPa der 3. Generation, hatten jeweils eine feuerverzinkte (EGA) Oberflächenbeschichtung und eine Dickenabmessung von jeweils etwa 1,45 mm. Die Bruch- und Rissbildung 58 in der Mikrostruktur von 4 ist vergrößert dargestellt und geht von der Außenfläche des Stahlwerkstücks 68 an einer Innenseite der Widerstandspunktverbindung 66 aus. Darüber hinaus ergab die Analyse mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) in 4 das Vorhandensein von geschmolzenem Zink (Zn) aus der EGA-Oberflächenbeschichtung bei der Frakturierung und Rissbildung 58. Wenn vorhanden, können Brüche und Rissbildung 58 die Qualität der Verbindung und die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen. Ohne sich auf bestimmte Theorien der Kausalität beschränken zu wollen, wird angenommen, dass Bruch und Rissbildung die Folge einer oder mehrerer der folgenden Ursachen sind: i) erhöhte lokale Temperaturen, die beim Widerstandspunktschweißen (d. h. ^~400 °C-^~900 °C) an einer Stoßstelle zwischen den Schweißelektroden und den Werkstücken auftreten, ii) das Vorhandensein von Oberflächenbeschichtungen, die in einem Teil eines Metallwerkstoffs bestehen; und iii) Zugspannungen, die beim Widerstandspunktschweißen auftreten, wie sie beispielsweise durch thermische Ausdehnung und Kontraktion auftreten, und Belastungen, die durch das Spannen der Schweißelektroden auftreten.
Das hierin dargelegte Widerstandspunktschweißverfahren löst diese Nachteile. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Widerstandspunktschweißverfahren mehr, weniger und/oder andere Schritte und Parameter aufweisen als die in dieser Beschreibung beschriebenen, und die Schritte können in unterschiedlichen Reihenfolgen als beschrieben ausgeführt werden. In der Ausführungsform von 5 beinhaltet beispielsweise ein Widerstandspunktschweißverfahren 72 eine Reihe von Schritten. Ein erster Schritt 74 beinhaltet das Bereitstellen des ersten Stahlwerkstücks 14. Das erste Stahlwerkstück 14 kann in den zuvor beschriebenen Formen bereitgestellt werden, einschließlich der ersten Oberflächenbeschichtung 32. Der erste Schritt 74 kann auch das Bereitstellen des zweiten Stahlwerkstücks 16 beinhalten. Das zweite Stahlwerkstück 16 kann ebenfalls in den zuvor beschriebenen Formen bereitgestellt werden, einschließlich der zweiten Oberflächenbeschichtung 34.
Ein zweiter Schritt 76 des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 beinhaltet das Aufbringen eines Schweißzusatzes 78 auf eine erste Oberfläche 80 (in diesem Fall die erste Passfläche 26) des ersten Stahlwerkstücks 14. Der Schweißzusatz 78 kann aus verschiedenen Metallwerkstoffen bestehen, abhängig zum Teil von der Materialzusammensetzung der ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 und der Kompatibilität zwischen diesen. Wenn beispielsweise die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 aus einem AHSS-Stahl gefertigt sind, kann der Schweißzusatz 78 eine Zusammensetzung aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial aufweisen. Jedoch sind andere Zusammensetzungen in anderen Ausführungsformen möglich. Der Schweißzusatz 78 kann mit verschiedenen Anwendungstechnologien und -techniken auf die erste Oberfläche 80 aufgebracht werden. In einer Ausführungsform wird der Schweißzusatz 78 auf der ersten Oberfläche 80 durch ein thermisches Spritzverfahren beschichtet, wobei der Schweißzusatz 78 auf die erste Oberfläche 80 in einem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand aufgesprüht wird. Arten von thermischen Spritzverfahren, die in einer bestimmten Ausführungsform geeignet sein können, sind unter anderem, aber nicht beschränkt auf, Plasmaspritzen, Drahtlichtbogenspritzen und Laserplasmaspritzen. Jedoch sind in anderen Ausführungsformen auch andere Arten von thermischem Spritzen möglich. Weiterhin kann der Schweißzusatz 78 auf der ersten Oberfläche 80 in einem additiven Herstellungsverfahren aufgebracht werden. In einer Ausführungsform wird der Schweißzusatz 78 auf der ersten Oberfläche 80 schichtweise durch 3D-Druck zugegeben. Jedoch sind andere Arten von additiven Herstellungsverfahren in anderen Ausführungsformen möglich.
Im zweiten Schritt 76 des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 kann der Schweißzusatz 78 in verschiedenen Mustern und mit unterschiedlichen Dicken auf die erste Oberfläche 80 aufgebracht werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Schweißzusatz 78 in einem ringförmigen Muster konfiguriert werden, kann in einem linierten Muster konfiguriert werden, kann in einem gekreuzten Muster konfiguriert werden, kann in einem durchgefüllten Muster konfiguriert werden und/oder kann in einem gestrichelten Muster konfiguriert werden. Jedoch sind andere Muster in anderen Ausführungsformen möglich. Unabhängig von der Musterkonfiguration kann das genaue Dickenmaß des in diesem Schritt eingesetzten Schweißzusatzes 78 unter anderem darauf beruhen, dass die in den nachfolgenden Schritten des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 an den Stoßstellen zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 und den ersten und zweiten Stahlwerkstücken 14, 16, wie nachfolgend näher beschrieben, die lokalisierten Temperaturen gesenkt werden. Im zweiten Schritt 76 kann eine Dicke 77 des Schweißzusatzes 78 einen Wert zwischen ca. 0,05 mm und 2,0 mm aufweisen. Es wurde festgestellt, dass die Einhaltung des Dickenwertes in diesem Bereich die lokalisierten Temperaturen an den Stoßstellen zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 und den ersten und zweiten Stahlwerkstücken 14, 16 effektiv senkt. Jedoch sind andere Dickenbereiche in anderen Ausführungsformen möglich. In gleicher Weise kann die genaue Menge des in diesem Schritt aufgebrachten Schweißzusatzes 78 unter anderem darauf beruhen, dass die in den nachfolgenden Schritten des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 an den Stoßstellen zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 und den ersten und zweiten Stahlwerkstücken 14, 16 die lokalisierten Temperaturen gesenkt werden.
Ein dritter Schritt 82 des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 beinhaltet das Zuführen des zweiten Stahlwerkstücks 16 zum ersten Stahlwerkstück 14 und über den aufgebrachten Schweißzusatz 78. Eine zweite Oberfläche 84 (in diesem Fall die zweite Passfläche 30) des zweiten Stahlwerkstücks 16 kommt in direkten Kontakt mit dem Schweißzusatz 78 und verbindet sich mit diesem. In diesem Schritt überlappen und überlagern sich die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 mit dem dazwischen liegenden Schweißzusatz 78. Ein vierter Schritt 86 des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 beinhaltet das Einspannen der ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 auf die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 an der Schweißstelle 18 und über den sandwichartigen Schweißzusatz 78. Die ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 kontaktieren direkt die ersten und zweiten Außenflächen 24, 28, wie in 5 dargestellt. In diesem Schritt üben die ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 eine Spannkraft auf die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 aus. Weiterhin beinhaltet ein fünfter Schritt 88 des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 das Leiten von elektrischem Strom zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 und durch die ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 und durch den Schweißzusatz 78. In diesem Schritt wird die Bildung einer Schweißverbindung 90 in einem geschmolzenen Zustand eingeleitet. Und ein sechster Schritt 92 des Widerstandspunktschweißverfahrens 72 beinhaltet das Beenden und Unterbrechen des Stromdurchgangs zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38. Die zuvor eingeleitete Schweißverbindung 90 wird verfestigt und somit zwischen den ersten und zweiten Stahlwerkstücken 14, 16 hergestellt. Die Schweißverbindung 90 kann eine Materialmischung aus dem ersten Stahlwerkstück 14, dem zweiten Stahlwerkstück 16 und dem Schweißzusatz 78 sein.
Wie beschrieben, löst das Widerstandspunktschweißverfahren 72 die vorstehend beschriebenen und beim Verbinden von beschichteten Stahlwerkstücken wie den ersten und zweiten Stahlwerkstücken 14, 16 mit den ersten und zweiten Oberflächenbeschichtungen 32, 34 auftretenden Nachteile. Die Zugabe des Schweißzusatzes 78 hat gezeigt, dass sie die lokalisierten Temperaturen im fünften Schritt 88 an den Stoßstellen zwischen den Schweißflächen der ersten und zweiten Schweißelektroden 36, 38 und den ersten und zweiten Außenflächen 24, 28 der ersten und zweiten Stahlwerkstücke 14, 16 verringert. Die lokal erzeugten Temperaturen an diesen Grenzflächen können in einigen Ausführungsformen auf 1.200 °C gesenkt werden. Der Schweißzusatz 78 erhöht die Anzahl der im Werkstückstapel 12 vorhandenen Passschnittstellen (d. h. es wird eine erste Passschnittstelle zwischen der ersten Passfläche 26 und der konfrontierenden und gegenüberliegenden Oberfläche des Schweißzusatzes 78 erzeugt, und es wird eine zweite Passschnittstelle zwischen der zweiten Passfläche 30 und der kontrastierenden und gegenüberliegenden Oberfläche des Schweißzusatzes 78 erzeugt) im Vergleich zu einem Werkstückstapel ohne den Schweißzusatz 78. Die größere Anzahl von Passschnittstellen bietet einen größeren elektrischen Widerstand inmitten des fünften Schrittes 88, der die lokalisierten Temperaturen dort erhöhen und konzentrieren kann, und der leichter eine Schweißverbindung wie die Schweißverbindung 90 einleiten und herstellen kann. Weiterhin kann in zumindest einigen Ausführungsformen ein winziger Spalt zwischen dem Schweißzusatz 78 und den jeweiligen ersten und zweiten Passflächen 26, 30 an den ersten und zweiten Passflächen bestehen, der im fünften Schritt 88 wiederum einen höheren elektrischen Widerstand bietet. In einigen Fällen bedeutet dies, dass ein Schweißplan mit einer verkürzten Schweißstromdauer verwendet werden kann. Und die verkürzte Schweißzeit kann die Wärme an den Grenzflächen der Widerlager verringern und die Neigung von Zink (Zn) verringern, das in die Korngrenze des Austenitgefüges diffundiert (wenn eine bestimmte Oberflächenbeschichtung tatsächlich Zink enthält). In ähnlicher Weise kann die Zugabe des Schweißzusatzes 78 - und damit die Zugabe zur Gesamtdicke des Werkstückstapels 12 - den Grad der Wärme, der sich auf die Grenzflächen der Sekundärteile ausbreitet, verringern. Bei einer erhöhten Gesamtdicke wird somit ein zentraler Punkt der Wärmeausbreitung in einen zentralen Bereich des Schweißzusatzes 78 verschoben, während sich der zentrale Punkt an den ersten und zweiten Passflächen 26, 30 befindet. Des Weiteren können durch die gesenkten lokalen Temperaturen an den Grenzflächen die an den Grenzflächen auftretenden thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionszugspannungen reduziert werden. Dadurch werden die mit LME verbundenen und zuvor beobachteten Brüche und Rissbildungen durch das Widerstandspunktschweißverfahren 72 minimiert oder ganz ausgeschlossen.
Die Mikrostruktur von 6 demonstriert den Ausschluss von Bruch und Rissbildung im Zusammenhang mit LME unter Verwendung des Widerstandspunktschweißverfahrens 72. In 6 wurde eine Widerstandspunktschweißverbindung 94 zwischen einem Paar Stahlwerkstücken 96, 98 und einem Schweißzusatz 100 von 0,5 mm Dicke nach einem Widerstandspunktschweißverfahren ähnlich dem Widerstandspunktschweißverfahren 72 hergestellt. Die Stahlwerkstücke 96, 98 bestanden jeweils aus dem AHSS-Stahlwerkstoff 980 MPa der 3. Generation, hatten jeweils eine feuerverzinkte (EGA) Oberflächenbeschichtung und eine Dickenabmessung von jeweils etwa 1,45 mm. Und der Schweißzusatz 100 bestand aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial. Die Vergrößerung in 6 zeigt, dass an einer Außenfläche 102 des Stahlwerkstücks 96 keine Brüche und Risse auftreten. Darüber hinaus bestätigte die Analyse mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie-(EDS)-Kartierung in 6 ein Fehlen von geschmolzenem Zink (Zn) aus der EGA-Oberflächenbeschichtung an der Außenfläche 102 des Stahlwerkstücks 96.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der Offenbarung ist. Die Offenbarung ist nicht auf die besondere(n) hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung gemachten Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung oder der Definition der in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, außer dort, wo ein Begriff oder Ausdruck ausdrücklich vorstehend definiert wurde. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der/den ausgewiesenen Ausführungsform(en) sind für Fachleute offensichtlich. Alle diese anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollten im Geltungsbereich der angehängten Patentansprüche verstanden werden.
Wie in dieser Spezifikation und den Patentansprüchen verwendet, sind die Begriffe „z. B.“, „beispielsweise“, „zum Beispiel“, „wie z. B.“ und „wie“ und die Verben „umfassend“, „einschließend“ „aufweisend“ und deren andere Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Elementen verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung andere zusätzliche Komponenten oder Elemente nicht ausschließt. Andere Begriffe sind in deren weitesten vernünftigen Sinn auszulegen, es sei denn, diese werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels, umfassend ein erstes Stahlwerkstück und ein zweites Stahlwerkstück, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen des ersten Stahlwerkstücks und Bereitstellen des zweiten Stahlwerkstücks, wobei mindestens das erste Stahlwerkstück eine erste Oberflächenbeschichtung aufweist; Aufbringen eines Schweißzusatzes auf eine erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks; Zuführen des zweiten Stahlwerkstücks zum ersten Stahlwerkstück, wobei eine zweite Oberfläche des zweiten Stahlwerkstücks an den Schweißzusatz angrenzt; Einspannen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode an den ersten und zweiten Stahlwerkstücken angrenzend an den Schweißzusatz; Durchleiten von elektrischem Strom zwischen den ersten und zweiten Schweißelektroden und durch die ersten und zweiten Stahlwerkstücke und durch den Schweißzusatz; und Abschließen des elektrischen Stromdurchgangs, um eine Schweißverbindung zwischen den ersten und zweiten Stahlwerkstücken herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das erste Stahlwerkstück aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS) und das zweite Stahlwerkstück aus einem modernen hochfesten Stahlmaterial (AHSS) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Oberflächenbeschichtung aus einem Zink-(Zn)-Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin sich die erste Oberflächenbeschichtung auf einer ersten Außenfläche des ersten Stahlwerkstücks befindet, wobei die erste Außenfläche gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist, auf die der Schweißzusatz aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das zweite Stahlwerkstück eine zweite Oberflächenbeschichtung aufweist, die zweite Oberflächenbeschichtung auf einer zweiten Außenfläche des zweiten Stahlwerkstücks liegt, wobei die zweite Außenfläche gegenüber der zweiten Oberfläche angeordnet ist, an die der Schweißzusatz angefügt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schweißzusatz aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Aufbringen des Schweißzusatzes das Beschichten der ersten Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks mit dem Schweißzusatz durch thermisches Spritzen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Aufbringen des Schweißzusatzes das Aufschichten des Schweißzusatzes auf die erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks durch additive Herstellung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Aufschichten des Schweißzusatzes auf die erste Oberfläche des ersten Stahlwerkstücks einen 3D-Druck beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schweißzusatz eine Dickenabmessung aufweist, die zwischen etwa 0,05 Millimetern (mm) und 2,0 mm liegt.