SE535327C2 - Motståndspunktsvetsning av aluminium till aluminium och stål till stål - Google Patents

Description

30 535 327 Med hänsyn till punktsvetsning av stål är det känt att för ett antal av svets- ningar kommer kopparelektroden att mjukna och plattas till i formen p g a den kombinerade verkan av fastspänningstrycket, hög temperatur och legeringen av koppar med den galvaniserade stålytan. Följaktligen har det genom den tidigare kända tekniken framkommit att då kopparelektroden används för att svetsa stål eller galvaniserat stål mäste elektroden periodvis bearbetas för att återskapa elektroden för att förlänga dess användbara livslängd och bibehål- la svetsningskvaliteten.

Med hänvisning till användning av en kopparelektrod för att svetsa alumini- umstycken är det känt att en uppbyggnad av aluminium från aluminiumskikt på elektrodytan kan resultera i bildningen av eutektisk Cu-Al med låg smält- punkt som slutligen ger gropar i elektrodytan. För att minimera punktgrepps- reaktionen har den kända tekniken upptäckt att kopparelektroden använd för svetsning av aluminiumstycken då och då behöver ombeläggas för att av- lägsna föroreningarna från ytan därav.

Följaktligen, med hänsyn till svetsning av aluminium till aluminium, tillhanda- håller U.S. Patent 6,861 ,609, överlåten till sökanden av denna uppfinning, texturering av elektrodsidan genom blästring med små sandkornspartiklar eller slipning med grovt slippapper för att rengöra och återge ytan hos kop- parelektroden. Dessutom beskriver den amerikanska patentansökningen se- rienr. 11/536 001, inlämnad 28 september 2006, även överlåten till sökanden av denna uppfinning, en metod för användning av ett verktyg för att bearbeta spetsen av kopparelektroden och utforma en serie av koncentriska ringar därpå. Skärning eller avputsning av ytan under bildningen av de koncentriska ringarna skapades för att både rengöra elektrodytan och utforma en textur.

Således, även fast den kända tekniken har utvecklat tekniker för svetsning av stål till stål, och tekniker för svetsning av aluminium till aluminium, har svets- ning av stål till stål och aluminium till aluminium med användning av en svetspistol inte utförts av två primära orsaker. För det första, svetselektroder 10 15 20 25 30 535 327 utformade för punktsvetsning av ett av materialen är typiskt inte lämplig för punktsvetsning av det andra materialet. Exempelvis orsakar en kulspetselek- trod använd för punktsvetsning av stål överflödig skiktdeformation och svetsmetallutdrivning då den används för punktsvetsning av aluminium. För det andra kan förorening av aluminiumstycken med järninnehàllande partiklar överförda av svetselektroden förorsaka galvanisk korrosion och förtida plåt- sönderbrytning.

Det vore därför önskvärt att tillhandahålla ytterligare förbättringar i svetspro- cessen så att en enstaka svetspistol, med användning av samma par av kopparelektroder, kan utföra både svetsar av stål till stålstycken och även aluminium till aluminiumstycken utan att orsaka de problem som beskrivs ovan.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN En metod för svetsning av ett flertal av aluminium till aluminiumsvetsningar och ett flertal av stål till stàlsvetsningar under användning av samma svetsut- rustning innefattar tillhandahållande av en motståndspunktsvetsanordning med ett par av svetselektroder med en elektrodsida med en svetsningsradie i intervallet mellan 20 mm och 40 mm. Elektrodmaterialet väljs med tillräckligt hög temperaturhàllfasthet så att stålsvetsningsprocessen inte överdrivet uppmjukar elektroden och skadar effektiviteten hos texturen som används för aluminiumpunktsvetsning. Serier av aluminium till aluminiumsvetsningar ut- förs, och sedan efter fullgörande av aluminium till aluminiumsvetsningar, ut- förs serier av stål till stàlsvetsningar. Efter fullgörande av stål till stàlsvets- ningar rengörs svetselektroderna med ett slipmedel för att avlägsna någon förekommande uppbyggnad eller förorening av järn på elektroderna. l hän- delse av att elektroderna har plattats till tillhandahålles därefter bearbetning av elektroderna och sedan utförs slipande rengöring för att återskapa texturen hos ytan. 10 15 20 25 30 535 327 Ytterligare områden för användning av föreliggande uppfinning kommer att vara uppenbart från den detaljerade beskrivningen tillhandahållen härefter.

Det skall inses att den detaljerade beskrivningen och de specifika exemplen, under beskrivning av exemplifierade utföringsformer av uppfinningen, endast är avsedda för illustrerade syften och är inte avsedda att begränsa uppfin- ningens skyddsomfång.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNÅ Föreliggande uppfinning kommer bli mer fullständigt förklarad i den detaljera- de beskrivningen och de åtföljande ritningarna, där: Fig. 1 är en schematisk illustration av en svetsanordning använd för svets- elektroder enligt denna uppfinning i punktsvetsning av både aluminium till aluminium och stål till stål.

Fig. 2 är en perspektiwy av en elektrod för praktisk användning av denna uppfinning.

Fig. 3 är en plan sidovy av elektroden enligt Fig. 2 med delar borttagna.

Fig. 4 är en plan sidovy av ett par elektroder som rengörs och återtextureras av ett sliphjul.

Fig. 5 är en annan plan sidovy av ett par av elektroder som rengörs och åter- textureras av ett sliphjul.

Fig. 6 är en annan plan sidovy av ett par elektroder som rengörs och återtex- tureras av ett sliphjul. 10 15 20 25 30 535 327 BESKRIVNING AV DEN FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMEN Fig. 1 är en schematisk bild av en sidovy av en representativ punktsvetspi- stolanordning 10 med den åtföljande utrustningen använd för punktsvets- ningsförfaranden. I ett sådant förfarande förbereds en enhet av två eller flera plåtmetallstycken 13 och 14 som skall svetsas och levereras av en transpor- tör eller annan anordning, till svetspistolanordningen 10. Svetspistolanord- ningen 10 är typiskt monterad på en robot som kan förflytta svetspistolanord- ningen 10 längs metallstyckena 13 och 14 för att snabbt åstadkomma en följd av individuella motståndspunktsvetsar. Metallstyckena 13 och 14 kan båda vara av aluminium, eller så kan båda vara av stål. l Fig. 1 visas metallstyckena 13 och 14 balanserade mellan ett par av axiellt inriktade och motstående elektroder 16 och 18 hos en pistolarm 20. Pistol- armen 20 har utformningen av ett C så att de motstående elektroderna 16 och 18 kan föras att stödja och trycka mot de motsatta sidorna av metall- styckena 13 och 14. l det visade arrangemanget monteras elektroden 16 på ett skaft 17 som är infört i en hållare 22 fäst till en fixerad arm 24 hos svetspl- stolarmen 20. Den andra elektroden 18 är monterad på ett skaft 19 och införd i en annan hållare 26 uppburen på en luftcylinder eller servomotor 28. Luftcy- lindern eller sewomotorn 28 är anpassad att axiellt förflytta elektroden 18 in i fastklämmande ingrepp med den yttre ytan av skiktet 14. En högtrycksluftkäl- la från en icke visad avlägsen källa, levererar luft genom en programmerbar luftregulator 30 genom en luftledning 32 till cylindern 28 för att tillhandahålla fastklämningskraft. Alternativt tillhandahåller en servomotorstyrning ström och spänning till servomotorn för att tillhandahålla fastklämning. Under en punktsvetsningsserie, framför den lämpliga applikationen av lufttryck till luft- cylindern 28 eller förflyttningen av servomotorn hållaren 26 så att elektroden 18 trycker skikten 13 och 14 mot den stationära elektroden 16 med en kraft i storleksordningen av 500-1 500 pund. 10 15 20 25 30 535 327 Svetspistol 20, typiskt monterad på änden av en robotarm, är ansluten till en robotsvetsstyranordning 34. Styranordningen 34 hanterar och manövrerar den programmerbara luftregulatorn 30 och även en svetsstyranordning 36.

Svetsstyranordningen 36 reglerar överströmningen av en primär svetsström till svetstransformern, som tillhandahåller ström till elektroderna. På kom- mando av svetsstyranordningen 36 levereras primär ström genom den primä- ra strömledningen 38 till svetstransformern 40. Svetstransformer 40 konver- terar primär ström till en sekundär svetsström med lägre spänning och högre ström som sedan tillhandahålles genom en sekundär strömledning 42 och elektrodhållare 26 såväl som konduktlv pistolarm 20 och elektrodhållare 22.

Med hänvisning nu till Fig. 2 beskrivs där en enstaka utformning av en kop- parelektrod 16 speciellt utformad att åstadkomma både hopsvetsníng av stål- stycken och hopsvetsníng av aluminiumstycken. Som kan ses i Fig. 2 har elektroden 16 en rund kropp 50 med en stympad konisk ände 52. Kroppen 50 har en ihålig mottagare 51 anpassad att mottaga ett skaft 17 för införing in ielektrodhållaren 22. Svetssidan 54 hos den stympade koniska änden 52 är välvd. Närmare bestämt har vi funnit att krökningsradien hos den välvda elek- trodsvetssidan 54 kan vara i intervallet mellan 20 mm och 40 mm för att till- handahålla en elektrod som är effektivt både för att göra aluminium till alumi- niumsvetsar och stål till stålsvetsar. Vi har också funnit att diametern "B" hos den krökta svetssidan 54 av elektroden 16, F lg. 3, är ett särdrag hos svets- elektrodutforrnningen och att diametern hos elektrodsvetssidan 54 är relate- rad till den önskade svetsstorleken hos aluminium till aluminiumsvetsarna.

Den minsta acceptabla svetsdiametern för aluminium till aluminium är unge- färligen 4x(t)"2 där t är tjockleken hos det tunnare skiktet av aluminium i en tvàskiktsstapel av aluminium. Vi har funnit att diametern B av svetssidan 54 bör vara åtminstone 1,5 mm större än den acceptabla svetsdiametern, och företrädesvis skall diametern av elektrodsvetssidan 54 vara minst 3 mm stör- re än den acceptabla svetsdiametern. Som ett exempel, om det tunnare skik- tet av aluminium är 1 mm tjockt, skall svetsdiametern för svetsning av 1 mm tjockt aluminiumskikt vara 4 mm, 4x(t)”2 = 4 mm, och diametem av svetsytan 10 15 20 25 30 535 32? 54 bör vara 4 mm, plus åtminstone 1,5 mm. Diametern B bör således vara 5,5 mm i diameter. Eller så bör diametern av svetsytan 54 vara 4 mm plus 3 mm så att diametern blir 7 mm.

Dessutom har vi funnit att elektrodytan 54 bör vara texturerad för att tillhan- dahålla en ytråhet i intervallet av 2-50 um för att genomtränga den starka vidhäftande oxiden som finns hos aluminiummaterial. För att elektroden skall fungera lyckosamt har vi dessutom bestämt att elektrodmaterialet måste ha hög ledningsfönnåga, ha en hög hårdhet eller sträckgräns, och vara i stånd att motstå mjukning vid förhöjda temperaturer. Elektrodsträckgränsen bör vara åtminstone 400 MPa och företrädesvis över 500 megapascals (MPa) för att texturen skall ha tillräcklig hållbarhet under användning. Legeringen mås- te motstà mjukning när den utsätts för höga temperaturer som uppnås under punktsvetsning av stål. Vi har funnit att legeringen inte får mjukna vid en temperatur av åtminstone 400°C och företrädesvis högre än 500°C. Slutligen måste legeringen ha tillräcklig elektrisk ledningsförmåga för att förhindra överhettning under överföring av hög svetsström som krävs för aluminium.

Denna måste vara högre än 80% ledningsförmåga enligt "international An- nealed Copper Standard” (lACS) och företrädesvis högre än 90% IACS.

Vi har bestämt dessutom att under svetsningsförfaranden (användningen av) där en enstaka svetspistol används, för att göra svetsningar i både alumini- umstycken och stålstycken, skall innefattas fullgörandet av alla aluminium till aluminiumsvetsar, före utförandet av stål till stålsvetsar. Närmare bestämt har vi funnit att utförandet av stål till stålsvetsar kommer att förorsaka upp- byggnaden av zink- och järnföroreningar på kopparelektroderna som sedan kommer att överföras till aluminiumstyckena och hindra uppnåendet av en effektiv korrosionsbeständig svets i aluminiumstycket. Emellertid, även fast aluminium kommer att tas upp av elektroden under utförandet av aluminium till aluminiumsvetsar, har vi funnit att nedsmutsningen av stålsvetsningen med aluminium inte är så problematisk som nedsmutsningen av aluminium- 10 15 20 25 30 535 327 svetsningen med zink och järn. Följaktligen har det bestämts att följden av aluminium till aluminiumsvetsar skall fullgöras före utförandet av stål till stål- svetsar för att därmed undvika förhållandet i vilket nedsmutsningen resulte- rande från stål till stålsvetsningar kan överföras till aluminium till aluminium- svetsningar. Dessutom nedbryter utförandet av stål till stålsvetsar texture- ringen snabbare än utförandet av aluminium till aluminiumsvetsar, vilket så- ledes även indikerar att aluminium till aluminiumsvetsningar bör göras före utförandet av stål till stålsvetsningar.

Det är även bestämt att efterföljande utförande av en följd av stål till stål- svetsningar, bör sedan elektroderna rengöras och textureras före det att aluminium till aluminiumsvetsningar återigen påbörjas. Rengöring och textu- rering av elektroderna före aluminium till aluminiumsvetsning säkerställer att ingen järn- eller zinknedsmutsning från galvaniserade stålstycken överförs till aluminiumstyckena och att elektroden har en textur som är lämplig för alumi- niumsvetsning.

Dessutom. om förlängd aluminiumsvetsning förutses, kan aluminiumsvets- ningen temporärt stoppas och en mellanliggande rengörings- och texture- ringsprocess kan utföras för att återskapa texturen och avlägsna någon före- kommande uppbyggnad av aluminium, således undvikande korrosion och gropbildning hos elektrodsidan 54 som kan orsakas då det försöks utföras för många aluminium till aluminiumsvetsningar.

Denna rengöringltexturering av svetselektroderna kan åstadkommas mest effektivt genom användning av ett flexibelt slipelement såsom ett gummiklätt silikonhjul, ett Scotch-Brite-hjul, eller ett rostfritt stålborsthjul för att både ren- göra elektroderna och återskapa den önskade yttexturen. Svetspistolroboten inriktar således svetspistolen med det slipande materialet och sedan kan slipmaterialet roteras mot elektrodytan. Alternativt kan slipmaterialet hållas stationärt och roboten kan rotera eller överföra elektrodsidan tvärs ytan av det fixerade slipmaterialet. Slipmedlet både avlägsnar uppbyggnaden av 10 15 20 25 30 535 327 aluminium och skapar även en serie av gropar eller åsar i ytan för att åter- skapa den önskade yttexturen. Rengöringsförloppet måste avlägsna all för- orening som har byggts upp och göra det på en tillräckligt kort tid för att inte störa produktionen.

Fig. 4 visar exemplet för ett flexibelt verktygshjul 56 som roterar pâ en hori- sontell axel 58 med de motsatta elektroderna 16 och 18 som trycker på kan- ten 64 av det flexibla verktygshjulet 56. Roboten kan rotera elektroderna 16 och 18 tillbaka och framåt i riktningen av pilarna 68 så att hela den krökta ytan av sidan 54 hos elektroderna berörs jämnt av kanten 64 hos det flexibla verktygshjulet 56.

Fig. 5 visar ett annat exempel på ett fast sliphjul 74 som roterar på en hori- sontell axel 78 med de motsatta elektroderna 16 och 18 som trycker på de motsatta ytorna 80 och 82 av det roterande sliphjulet 74. I F ig. 5 är sliphjulet 74 ett fast sliphjul med krökta bottenspår 84 och 86 som passar med krök- ningen av elektrodytan 54. Roboten kan rotera elektroderna 16 och 18 tillba- ka och framåt i riktningen av pilarna 88 så att hela ytan av elektrodsidan 54 hos elektroderna 16 och 18 kommer att vara ijämn förbindelse med sidorna 80 och 82 hos sliphjulet 74.

Fig. 6 visar ett annat exempel på ett roterande sliphjul 90 som är ingripet i ett roterande verktyg 92 som roterar på en axel 96 som är sammanfallande med axeln hos de motsatta elektroderna 16 och 18, som trycker på de motsatta ytorna 98 och 100 av det roterande sliphjulet 90. l Fig. 6 kan sliphjulet 90 vara ett fast sliphjul med krökta bottenspår 104 och 106 som passar med krökningen hos elektrodytan 54. Eller så kan sliphjulet vara ett flexibelt ele- ment som ger den krökta formen av elektrodytan.

Dessutom har vi funnit att metoden skall innefatta övervakning av elektroder- na i händelse av uppträdande av tillplattning, som typiskt uppträder under punktsvetsning av stål p g a de högre temperaturerna och trycken som inträf- 10 15 20 25 30 535 327 10 far. Övervakningen åstadkoms enklast genom användning av en robotmonte- rad, servopistolutrustning med sensorer för att övervaka servoramförskjut- ningen. Längden av varje elektrod kan bestämmas genom att roboten för fram den stationära elektroden i kontakt med ett referensblock, såsom ett block av stål monterat på ett fixt läge. Övervakningen av robotrörelsen som krävs för kontakt med den stationära elektroden kommer att ge längden av den stationära elektroden. Ihopslutning av servopistolen och övervakningen av ramrörelsen kommer att ge längden hos den förflyttbara elektroden. Jäm- förelse av elektrodlängden som har bestämts vid en tidigare tidpunkt an- vänds för att bestämma förkortningen av elektroden p g a tillplattning. När väl en av elektroderna har nått en förutbestämd grad av förkortning, kommer elektroderna att bearbetas och en ny längdreferenspunkt bestämmas. För servopistoler som inte är monterade på robotar kan pistolhopslutning fortfa- rande bestämma elektrodlängdförändring, men hopslutning kommer att ge den totala förändringen av båda elektroderna och inte längdförändringen hos individuella elektroder. Bestämningen av en elektrodlängd kommer företrä- desvis att göras medan styckena transporteras mellan stationer och ingen svetsning är på gång. Företrädesvis kommer inte andelen av förkortning överskrida 0,1 mm före bearbetning initieras. Alternativt kommer robotstyr- ningen att utformas för att spåra antalet av svetsningar som görs, speciellt stålsvetsningar, och vid ett förutbestämt antal initieras bearbetning. Elektro- derna bearbetas för att återskapa formen enligt F ig. 2. Elektrodbearbetnings- utrustning och processer är väl kända i den tidigare kända tekniken, för att återskapa formen hos elektroden till den som framgår i F ig. 2. Närmare be- stämt avlägsnar bearbetningsförfarandet det tillplattade materialet och åter- skapar den önskade sidodiametern och krökningsradien till elektrodytan 54.

Efter bearbetning och återskapande av den lämpliga formen avskavs elek- troderna igen av slipmaterialet för att återskapa den önskade texturerade ytan.

Således ska det inses att uppfinningen tillhandahåller en ny och förbättrad svetsmetod som kan åstadkomma svetsning tillsammans av både aluminium 535 327 11 till aluminiumstycken och stål till stålstycken genom en enstaka svetspistol i en enstaka tillverkningscell.

Claims (11)

10 15 20 25 30 535 327 12 Patentkrav

1. En metod för svetsning av ett flertal av aluminium till aluminium svetsar och ett flertal av stål till stål svetsar, genom elektrisk motståndssvetsning, med användning av samma svetsningsutrustning innefattande: tillhandahållande av en motståndspunktsvetsutrustning (10) med ett par svetselektroder (16, 18) med en krökningsradie hos elektrodsidan (54) i intervallet mellan 20 mm och 40 mm, nämnda elektrodsida (54) textureras med en grovheti intervallet 2-50 um; utförande först av en serie av aluminium till aluminiumsvetsningar; kännetecknad av att därefter utförande av en serie av stål till stålsvetsningar, efter fullgörande av aluminium till aluminiumsvetsningarna; därefter rengöring av svetsningselektroderna (16, 18), efter fullgörande av stål till stålsvetsningarna, för att avlägsna någon förekommande uppbyggnad av aluminium på elektroderna (16, 18) och återtexturering av elektrodsidan (54) till en grovhet av 2-50 um före påbörjandet av en ny serie av aluminium till aluminiurnsvetsningar.

2. Metoden för svetsning enligt krav 1, kännetecknad av att den vidare innefattar bearbetning av elektroderna därefter, i händelse av att elektroderna (16, 18) har tillplattats.

3. Metoden enligt krav 1, kännetecknad av att den vidare innefattar, mätning av elektroderna (16, 18) efter fullgörande av stål till stàlsvetsningarna, för att bestämma omfattningen av tillplattningen av elektroderna, och om tillplattning fastställs, sker därefter bearbetning av elektroderna (16, 18) före omtexturering av elektroderna. 10 15 20 25 30 535 327 13

4. Metoden enligt krav 1, kännetecknad av att den vidare innefattar att sträckgränsen hos kopparelektroden (16, 18) är åtminstone 400 MPa.

5. Metoden enligt krav 1, kännetecknar! av att den vidare innefattar att sträckgränsen hos kopparelektroden (16, 18) företrädesvis är högre än 500 MPa.

6. Metoden enligt krav 1, kännetecknad av att den vidare innefattar att elektroderna (16, 18) är av en kopparlegering som inte mjuknar vid en temperatur av 400°C.

7. Metoden en|igt krav 1, kännetecknad av att den vidare innefattar att elektroden (16, 18) har en elektrisk ledningsförmåga som är högre än 80% lACS ledningsförmåga och företrädesvis högre än 90% IACS.

8. Metoden enligt krav 1, kännetecknad av att vidare innefattande att rengöring och återtexturering utförs av ett roterande sliphjul (56; 74; 90).

9. Metoden enligt krav 8, kännetecknad av att den vidare innefattar att det roterande hjulet är ett fast sliphjul (74) med ett spår (84, 86) däri, med en krökningsradie i intervallet mellan 20 mm och 40 mm.

10. Metoden enligt krav 8, kännetecknar! av att den vidare innefattar att det roterande hjulet (56) är av ett flexibelt slipmaterial som är eftergivligt för att passa krökningen av elektrodsidan (54).

11. Metoden en|igt krav 1, kännetecknad av att den vidare innefattar, om antalet av aluminium till aluminiumsvetsningar fastställs för att förorsaka överdriven gropbildning eller uppbyggnad av aluminium på elektroderna (16, 18), sker därefter temporärt stopp av aluminium till aluminiumsvetsningen för att utföra en mellanliggande rengöring och texturering av elektrodsidoma (54) 535 327 14 före fullgöring av aluminium till aluminiumsvetsningarna och fortsättning av stål till stålsvetsningarna.