WO2014040847A1 - VERFAHREN ZUM WIDERSTANDSSCHWEIßEN VON BAUTEILEN MIT VERÄNDERLICHEM ZEITVERLAUF DES SCHWEIßSTROMS, SOWIE HIERMIT HERGESTELLTER BAUTEILVERBUND - Google Patents

VERFAHREN ZUM WIDERSTANDSSCHWEIßEN VON BAUTEILEN MIT VERÄNDERLICHEM ZEITVERLAUF DES SCHWEIßSTROMS, SOWIE HIERMIT HERGESTELLTER BAUTEILVERBUND Download PDF

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André SCHULZE
Heiko. RUDOLF
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for resistance welding of components, wherein at the weld by means of electrodes arranged on both sides of a pressure force is applied to the components and the components are welded together by means of a guided over the electrodes welding current to form a weld nugget.
  • the invention further relates to a manufactured by such a method
  • weld nugget lenticular solidification of the melt or of the melts
  • Resistance pressure welding or resistance spot welding can be designated) the formation of a particularly load-bearing welded joint between the components is supported.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned that the disadvantages associated with the prior art not or at least only to a reduced extent.
  • the method according to the invention for resistance welding of at least two components is distinguished by the fact that the welding current (guided by the components at the welding point through the components) has a variable time characteristic, which is characterized by alternating high-current energization phases and low-current or current-free cooling and solidification phases. whereby a nugget of several layered and / or juxtaposed (solidified)
  • a high-current energizing phase is characterized in particular by a current flow (at the welding point) with a relatively high welding current.
  • Welding current can be, for example, in the range of 2 kA [kiloampere] to 16 kA, but also higher welding currents are possible.
  • a low-phase cooling and solidification phase is particularly characterized by a current flow (at the weld) with a relatively low welding current, ie. H. eg less than 2 kA, marked.
  • a current-free cooling and solidification phase is understood in particular to mean that no current flow (at the weld) is present in this phase.
  • the proposed variable time profile of the welding current with alternating high-current energization phases and low-current or current-free cooling and solidification phases leads according to the invention to a weld nugget of a plurality of nested and / or juxtaposed melt regions being formed at the weld.
  • melt areas are delimited from each other and / or differ in their metallurgical microstructure.
  • the delimitation of individual melt areas can lead to an advantageous reduction or refinement of dendrites (by interrupting the dendrite propagation) in the respective microstructures. In this way, a nugget with special properties can be formed.
  • Solidification phase is formed in the melt area again a certain microstructure, which has a different extent and / or a different metallurgical structure than the previously formed microstructure. And so on. This way a can
  • Be formed nugget with special properties which also can be relatively small.
  • heat can also be introduced into the material regions adjacent to the weld nugget, the heat introduction being due to the cooling and solidification phases between the high-current ones
  • Energizing phases can be dosed.
  • the heat introduced into the material regions adjacent to the weld nugget can bring about advantageous changes in properties.
  • the high-current Bestromungsphasen differ in terms of the length of time and / or the welding current.
  • energization phases can also be the same length and / or the same
  • high-current energization phase is constant.
  • the welding current within a high-current energization phase can also be variable and, for example, increase or decrease.
  • the pressure force applied by the electrodes to the components is maintained during the entire welding process.
  • the welding process involves the placement of the electrodes, the subsequent first high current energization phase up to the last cooling and solidification phase.
  • the permanently applied compressive force can be constant or variable.
  • the temporal length of the high-current Bestromungsphasen may be 50 ms [milliseconds] to 1000 ms, preferably 75 ms to 800 ms and especially 100 ms to 750 ms.
  • the length of time of the cooling and solidification phases may be 10 ms to 1000 ms, preferably 20 ms to 750 ms and in particular 25 ms to 500 ms.
  • up to eight high current Bestromungsphasen are provided, which differ in terms of the time length and / or the welding current.
  • three high current Bestromungsphasen are provided. These are a pre-phase with a relatively low welding current, a main phase with a relatively high welding current and a post-phase with a relatively low welding current.
  • the pre-phase, main phase and post-phase may also differ with respect to their length in time, wherein it is particularly preferred that the main phase is not only the strongest current, but also the longest energization phase.
  • At least one and preferably both components are formed from a high-strength or ultra-high-strength steel material (or steel sheet material) and in particular from a press-hardened steel material (or steel sheet material).
  • a high-strength or ultra-high-strength steel material or steel sheet material
  • a press-hardened steel material or steel sheet material.
  • Higher and highest strength steel materials have a strength greater than 700 MPa [Megapascal], and more particularly greater than 1000 MPa.
  • Steel material has a strength of up to 1600 MPa and more. At a
  • Resistance welding of press-hardened sheet metal parts with the method according to the invention proves to be very advantageous since a welded joint with high strength and good ductility (elongation properties) can be produced.
  • a relatively large amount of welding energy can be introduced at the weld into the components.
  • the adjacent to the weld nugget material areas due to the cooling and
  • a component composite produced by the method according to the invention comprises at least two components which are welded to one another at at least one weld point, including a weld nugget, in such a way that the weld nugget merges into one another
  • the components are in particular sheet metal parts.
  • the component composite is in particular a component composite for a motor vehicle body. It is preferably provided that at least one and preferably both components are formed from a high-strength or high-strength steel material (or steel sheet material) and in particular from a press-hardened steel material (steel sheet material), to which reference is made to the preceding explanations.
  • Fig. 1 shows a resistance welding process in a sectional view.
  • Fig. 2 shows the temporal force and welding current during the
  • FIG. 3 shows, in three individual sectional views, the formation of a weld nugget with the welding current profile shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows in a sectional view a further embodiment of a weld nugget.
  • Fig. 5 shows in four individual sectional views an alternative embodiment of a
  • Fig. 1 shows two components 1 10 and 120 which are pressed together at the weld shown with two electrodes 210 and 220 attached.
  • the applied pressure force is designated by P.
  • a welding current I is passed through the components 1 10 and 120 via the electrodes 210 and 220 at the weld.
  • the components 1 10 and 120 are heated at the weld until melting.
  • Electrodes 210 and 220 are only examples. From the prior art, other electrode forms are known. Furthermore, from the prior art
  • the components 1 10 and 120 are examples of press-hardened sheet-metal shaped parts.
  • the welding current I has a variable time course, which is characterized by alternating high current energizing phases and
  • Fig. 2 shows the timing of the pressing force P and the welding current I during a welding operation. In the horizontal direction (from left to right) the time course is shown. In the vertical direction is qualitatively the strength or welding current.
  • the welding process begins at time 0 with the placement of the electrodes 210 and 220 and ends at time 1 with the lifting of the electrodes 210 and 220.
  • the time course of the compressive force P is shown in dashed line.
  • the compressive force P has a constant course of force during the welding process.
  • the compressive force P can be, for example, between 1 kN [kilonewton] and 16 kN.
  • the time course of the welding current I is shown in solid line.
  • the welding current I has a variable time course, which is characterized by alternating high-current
  • Energizing phases B, D and F and current-free cooling and solidification phases C, E and G are distinguished.
  • the energization phases B, D and F can be referred to as pre-phase, main phase and post-phase.
  • the phase designated G can also be referred to as the Nachhaltephase.
  • the phase labeled A can be called the retention phase. Preferred times for the individual phases are given above.
  • the welding process starts with a holding phase A. In this phase no flows
  • welding current I During the first energizing phase B (pre-phase), a melt is generated with a certain extent, resulting in the subsequent cooling and solidification phases C forms a relatively small weld nugget 131, as shown in Fig. 3a.
  • the components 1 10 and 120 are held together by a material fit, which due to the very high-strength properties of the component materials for themselves subsequent second Bestromungsphase D (main phase) is advantageous because the components 1 10 and 120 by means of the electrodes 210 and 220 otherwise not sufficient
  • the second energizing phase D (main phase), wherein this energizing phase is longer than the first energizing phase B and the welding current during this energizing phase is higher than in the first energizing phase B, a melt is generated with a certain extent, wherein the previously formed nugget 131rd is completely melted.
  • a relatively large weld nugget 132 is formed, as shown in FIG. 3b.
  • the welding lens 132 is carrier of the edge stresses to the components 1 10 and 120th
  • a melt is generated with a certain extent.
  • an internal weld nugget 133 forms within the weld nugget 132, as shown in FIG. 3c.
  • the welding lens is thus composed of several solidified melt regions 132 and 133, wherein the different melt regions 132 and 133 forming the weld nugget 140 are delimited from one another and / or differ in their metallurgical microstructure.
  • the composition of the weld nugget 140 can be compared to the construction of an onion (onion-like structure or onion-like structure).
  • the weld nugget 140 may also be referred to as a "lens in lens" with the fusion line of the inner ones
  • Welding lens 133 extends completely within the outer weld nugget 132.
  • An exemplary study showed that the weld joint comprising such weld nugget 140 has both high strength and good ductility. This is partly due to the fact that the adjacent to the weld nugget 140 Material areas by the introduced welding energy have undergone a heat treatment, as explained above.
  • FIG. 4 shows a welded joint between the components 110 and 120 in which the "onion-like" weld nugget 140 comprises a further internal weld nugget 134, which was brought about by a fourth energization phase according to the above explanations cut off in the center weld nugget 133.
  • FIG. 5 shows in analogy to FIG. 3 in four individual views the alternative embodiment of a weld nugget 140 which has a plurality of juxtaposed and stacked ones
  • Melting areas 135 a between the large weld nugget 132 and the outer surfaces of the components 1 10 and 120 are formed, brought about. After a cooling and
  • Solidification phase is brought about by a further energization phase of the final state shown in FIG. 5d, in which the two melt regions 135b penetrate the weld nugget or the melt region 132 and touch or adjoin one another approximately in the parting plane between the two components 110 and 120.
  • the weld nugget 140 which is designated as a whole by 140, is composed of a plurality of solidified melt regions 132 and 135b, which are both adjacent to one another and also stacked or nested or interleaved one inside the other.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Bauteilen (110, 120), wobei an der Schweißstelle mittels beidseitig der Bauteile (110, 120) angeordneter Elektroden eine Druckkraft auf die Bauteile (110, 120) aufgebracht wird und die Bauteile mittels eines über die Elektroden geführten Schweißstroms unter Ausbildung einer Schweißlinse (140) miteinander verschweißt werden. Es ist vorgesehen, dass der Schweißstrom einen veränderlichen Zeitverlauf aufweist, der sich durch abwechselnde hochstromige Bestromungsphasen und niederstromige oder stromfreie Abkühl- und Verfestigungsphasen auszeichnet, wodurch eine Schweißlinse (140) aus mehreren ineinander geschichteten und/oder nebeneinanderliegenden Schmelzenbereichen (132, 133) ausgebildet wird. Die Erfindung betrifft ferner einen mit diesem Verfahren hergestellten Bauteilverbund (110/120).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Widerstandsschweißen von Bauteilen mit veränderlichem Zeitverlauf des
Schweißstroms, sowie hiermit hergestellter Bauteilverbund
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Bauteilen, wobei an der Schweißstelle mittels beidseitig der Bauteile angeordneter Elektroden eine Druckkraft auf die Bauteile aufgebracht wird und die Bauteile mittels eines über die Elektroden geführten Schweißstroms unter Ausbildung einer Schweißlinse miteinander verschweißt werden.
Die Erfindung betrifft ferner auch einen mit einem solchen Verfahren hergestellten
Bauteilverbund.
Beim Widerstandsschweißen werden die zu verschweißenden Bauteile an der
Verbindungstelle bzw. Schweißstelle mit Elektroden mehr oder weniger stark
zusammengedrückt und durch einen über die Elektroden geführten elektrischen Strom bzw. Schweißstrom bis zum Aufschmelzen erhitzt. Nach Beendigung des Stromflusses bildet sich an der Verbindungsstelle eine Schweißverbindung unter Einschluss einer so genannten Schweißlinse (linsenförmige Erstarrung der Schmelze bzw. der Schmelzen) aus. Durch das Zusammendrücken während und nach dem Stromfluss (was auch als
Widerstandspressschweißen oder Widerstandspunktschweißen bezeichnet werden kann) wird die Ausbildung einer besonders belastungsfähigen Schweißverbindung zwischen den Bauteilen unterstützt.
In der DE 10 2007 062 375 A1 ist ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Bauteilen beschrieben, bei dem der an der Schweißstelle über die Elektroden zu- und abgeführte Schweißstrom erfasst und geregelt wird. Hierdurch kann die Ausbildung der Schweißlinse in Abhängigkeit verschiedener Parameter beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, dass die mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf einen Bauteilverbund, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Widerstandsschweißen von wenigstens zwei Bauteilen zeichnet sich dadurch aus, dass der (mittels der Elektroden an der Schweißstelle durch die Bauteile geführte) Schweißstrom einen veränderlichen Zeitverlauf aufweist, der sich durch abwechselnde hochstromige Bestromungsphasen und niederstromige oder stromfreie Abkühl- und Verfestigungsphasen auszeichnet, wodurch eine Schweißlinse aus mehreren ineinander geschichteten und/oder nebeneinanderliegenden (erstarrten)
Schmelzenbereichen ausgebildet wird.
Eine hochstromige Bestromungsphase ist insbesondere durch einen Stromfluss (an der Schweißstelle) mit verhältnismäßig hoher Schweißstromstärke gekennzeichnet. Die
Schweißstromstärke kann bspw. im Bereich von 2 kA [Kiloampere] bis 16 kA liegen, wobei aber auch höhere Schweißstromstärken möglich sind. Eine niederstromige Abkühl- und Verfestigungsphase ist insbesondere durch einen Stromfluss (an der Schweißstelle) mit verhältnismäßig geringer Schweißstromstärke, d. h. bspw. weniger als 2 kA, gekennzeichnet. Unter einer stromfreien Abkühl- und Verfestigungsphase wird insbesondere verstanden, dass in dieser Phase kein Stromfluss (an der Schweißstelle) gegeben ist.
Der vorgeschlagene veränderliche Zeitverlauf des Schweißstroms mit sich abwechselnden hochstromigen Bestromungsphasen und niederstromigen oder stromfreien Abkühl- und Verfestigungsphasen führt erfindungsgemäß dazu, dass sich an der Schweißstelle eine Schweißlinse aus mehreren ineinander geschichteten und/oder nebeneinanderliegenden Schmelzenbereichen ausbildet. Die die Schweißlinse bildenden verschiedenen
Schmelzenbereiche sind zueinander abgegrenzt und/oder unterscheiden sich in ihrer metallurgischen Gefügestruktur. Die Abgrenzung einzelner Schmelzenbereiche kann zu einer vorteilhaften Verkleinerung bzw. Verfeinerung von Dendriten (durch Unterbrechung der Dendritenausbreitung) in den jeweiligen Gefügestrukturen führen. Auf diese Weise kann eine Schweißlinse mit besonderen Eigenschaften ausgebildet werden.
In einer hochstromigen Bestromungsphase wird eine Schmelze mit einer bestimmten
Ausdehnung erzeugt. In der sich anschließenden Abkühl- und Verfestigungsphase bildet sich im Schmelzenbereich eine bestimmte Gefügestruktur aus. In der nächsten bzw.
nachfolgenden hochstromigen Bestromungsphase entsteht nun in dem zuvor entstandenen Schmelzenbereich erneut wenigstens eine Schmelze mit einer anderen Ausdehnung, wobei die zuvor gebildete Gefügestruktur zumindest teilweise unter Ausbildung einer neuen Schmelze wieder aufgeschmolzen wird. In der sich anschließenden Abkühl- und
Verfestigungsphase bildet sich im Schmelzenbereich wieder eine bestimmte Gefügestruktur aus, die eine andere Ausdehnung und/oder einen anderen metallurgischen Aufbau als die zuvor gebildete Gefügestruktur aufweist. Und so weiter. Auf diese Weise kann eine
Schweißlinse mit besonderen Eigenschaften ausgebildet werden, die zudem verhältnismäßig klein sein kann.
In den hochstromigen Bestromungsphasen kann ferner Wärme in die an die Schweißlinse angrenzenden Werkstoffbereiche eingebracht werden, wobei die Wärmeeinbringung aufgrund der Abkühl- und Verfestigungsphasen zwischen den hochstromigen
Bestromungsphasen dosiert erfolgen kann. Die in die an die Schweißlinse angrenzenden Werkstoffbereiche eingebrachte Wärme kann vorteilhafte Eigenschaftsveränderungen bewirken.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die hochstromigen Bestromungsphasen hinsichtlich der zeitlichen Länge und/oder der Schweißstromstärke unterscheiden. Diese
Bestromungsphasen können jedoch auch gleich lang sein und/oder gleiche
Schweißstromstärken aufweisen.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schweißstromstärke innerhalb einer
hochstromigen Bestromungsphase konstant ist. Die Schweißstromstärke innerhalb einer hochstromigen Bestromungsphase kann aber auch veränderlich sein und bspw. ansteigen oder abfallen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die von den Elektroden auf die Bauteile aufgebracht Druckkraft während des gesamten Schweißvorgangs aufrecht erhalten wird. Der Schweißvorgang umfasst das Aufsetzen der Elektroden, die sich anschließende erste hochstromige Bestromungsphase bis hin zur letzten Abkühl- und Verfestigungsphase. Die permanent aufgebrachte Druckkraft kann konstant oder veränderlich sein.
Die zeitliche Länge der hochstromigen Bestromungsphasen kann 50 ms [Millisekunden] bis 1000 ms, bevorzugt 75 ms bis 800 ms und insbesondere 100 ms bis 750 ms betragen. Die zeitliche Länge der Abkühl- und Verfestigungsphasen kann 10 ms bis 1000 ms, bevorzugt 20 ms bis 750 ms und insbesondere 25 ms bis 500 ms betragen. Bevorzugt sind bis zu acht hochstromige Bestromungsphasen vorgesehen, die sich hinsichtlich der zeitlichen Länge und/oder der Schweißstromstärke unterscheiden.
Insbesondere sind drei hochstromige Bestromungsphasen vorgesehen. Dies sind eine Vorphase mit verhältnismäßig niedriger Schweißstromstärke, eine Hauptphase mit verhältnismäßig hoher Schweißstromstärke und eine Nachphase mit verhältnismäßig niedriger Schweißstromstärke. Die Vorphase, Hauptphase und Nachphase können sich ferner auch hinsichtlich ihrer zeitlichen Länge unterscheiden, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass die Hauptphase nicht nur die stromstärkste, sondern auch die längste Bestromungsphase ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest eines und bevorzugt beide Bauteile aus einem höherfesten oder höchstfesten Stahlmaterial (oder Stahlblechmaterial) und insbesondere aus einem pressgehärteten Stahlmatetrial (oder Stahlblechmaterial) gebildet sind. Höher- und höchstfeste Stahlmaterialien weisen eine Festigkeit von mehr als 700 MPa [Megapascal] und insbesondere von mehr als 1000 MPa auf. Ein pressgehärtetes
Stahlmaterial weist eine Festigkeit von bis zu 1600 MPa und mehr auf. Bei einem
pressgehärteten Stahlmaterial werden diese höchstfesten Materialeigenschaften durch einen Härtevorgang, bei dem ein zuvor erwärmtes Blechmaterial in einem gekühlten Werkzeug umgeformt (oder in seiner Form gehalten) und gleichzeitig abgekühlt wird, erzielt. Hierfür eignet sich z. B. ein 22MnB5-Blechwerkstoff oder dergleichen. Vor allem das
Widerstandsschweißen von pressgehärteten Blechformteilen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erweist sich als sehr vorteilhaft, da eine Schweißverbindung mit hoher Festigkeit und guter Duktilität (Dehnungseigenschaften) hergestellt werden kann. Infolge der sich abwechselnden hochstromigen Bestromungsphasen und niederstromigen oder stromfreien Abkühl- und Verfestigungsphasen kann verhältnismäßig viel Schweißenergie an der Schweißstelle in die Bauteile eingebracht werden. Dies führt einerseits zu einer sehr hohen Festigkeit der Schweißverbindung, obgleich die Schweißlinse aufgrund der Unterbrechung der Dendritenausbreitung verhältnismäßig klein ausfallen kann. Andererseits kann in die an die Schweißlinse angrenzenden Werkstoffbereiche, aufgrund der Abkühl- und
Verfestigungsphasen zwischen den hochstromigen Bestromungsphasen, verhältnismäßig viel Wärme eingebracht werden, wodurch eine Umwandlung des spröden martensitischen Gefüges in ein feinkörnigeres und duktileres Gefüge herbeigeführt wird. Dadurch wird ein sprödes und unkontrolliertes Bruchverhalten der verschweißten Bauteile an der
Schweißstelle abgewendet. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Bauteilverbund umfasst wenigstens zwei Bauteile, die an wenigstens einer Schweißstelle unter Einschluss einer Schweißlinse miteinander verschweißt sind, derart, dass die Schweißlinse mehrere ineinander
geschichtete und/oder nebeneinanderliegende (erstarrte) Schmelzenbereiche aufweist. Bei den Bauteilen handelt es sich insbesondere um Blechformteile. Bei dem Bauteilverbund handelt es sich insbesondere um einen Bauteilverbund für eine Kraftfahrzeugkarosserie. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest eines und bevorzugt beide Bauteile aus einem höherfesten oder höchstfesten Stahlmaterial (oder Stahlblechmaterial) und insbesondere aus einem pressgehärteten Stahlmatetrial Stahlmaterial (oder Stahlblechmaterial) gebildet sind, wozu auf die vorausgehenden Erläuterungen verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
Fig. 1 zeigt einen Widerstandsschweißvorgang in einer Schnittansicht.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Kraft- und Schweißstromverlauf bei dem
Widerstandsschweißvorgang aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt in drei einzelnen Schnittansichten die Ausbildung einer Schweißlinse mit dem in Fig. 2 gezeigten Schweißstromverlauf.
Fig. 4 zeigt in einer Schnittansicht eine weitere Ausbildung einer Schweißlinse.
Fig. 5 zeigt in vier einzelnen Schnittansichten eine alternative Ausbildung einer
Schweißlinse.
Fig. 1 zeigt zwei Bauteile 1 10 und 120 die an der dargestellten Schweißstelle mit zwei aufgesetzten Elektroden 210 und 220 zusammengedrückt werden. Die aufgebrachte Druckkraft ist mit P bezeichnet. Zeitgleich wird über die Elektroden 210 und 220 an der Schweißstelle ein Schweißstrom I durch die Bauteile 1 10 und 120 geleitet. Dadurch werden die Bauteile 1 10 und 120 an der Schweißstelle bis zum Aufschmelzen erhitzt. Nach
Abschalten des Schweißstroms I erstarrt die Schmelze, wodurch an der Schweißstelle eine Schweißverbindung unter Ausbildung einer Schweißlinse entsteht. Bei dem Schweißstrom I handelt es sich typischerweise um einen Wechselstrom. Die gezeigte Ausgestaltung der Elektroden 210 und 220 ist nur beispielhaft. Aus dem Stand der Technik sind auch andere Elektrodenformen bekannt. Ferner sind aus dem Stand der Technik
Widerstandsschweißverfahren mit nur einer Elektrode bekannt, auf die sich die Erfindung ebenso anwenden lässt. Bei den Bauteilen 1 10 und 120 handelt es sich beispielhaft um pressgehärtete Blechformteile.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Schweißstrom I einen veränderlichen Zeitverlauf aufweist, der sich durch abwechselnde hochstromige Bestromungsphasen und
niederstromige oder stromfreie Abkühl- und Verfestigungsphasen auszeichnet, wodurch eine Schweißlinse aus mehreren ineinander geschichteten und/oder nebeneinanderliegenden Schmelzenbereichen ausgebildet wird. Dies wird nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert.
Fig. 2 zeigt den Zeitverlauf der Druckkraft P und des Schweißstroms I während eines Schweißvorgangs. In horizontaler Richtung (von links nach rechts) ist der Zeitverlauf abgebildet. In vertikaler Richtung ist qualitativ die Kraftstärke bzw. Schweißstromstärke abgebildet. Der Schweißvorgang beginnt zum Zeitpunkt 0 mit dem Aufsetzen der Elektroden 210 und 220 und endet zum Zeitpunkt 1 mit dem Abheben der Elektroden 210 und 220.
Der zeitliche Verlauf der Druckkraft P ist mit gestrichelter Linie dargestellt. Beispielhaft weist die Druckkraft P während des Schweißvorgangs einen konstanten Kraftverlauf auf. Die Druckkraft P kann bspw. zwischen 1 kN [Kilonewton] und 16 kN betragen. Der zeitliche Verlauf des Schweißstroms I ist mit Volllinie dargestellt. Der Schweißstrom I weist einen veränderlichen Zeitverlauf auf, der sich durch abwechselnde hochstromige
Bestromungsphasen B, D und F und stromfreie Abkühl- und Verfestigungsphasen C, E und G auszeichnet. Die Bestromungsphasen B, D und F können als Vorphase, Hauptphase und Nachphase bezeichnet werden. Die mit G bezeichnete Phase kann auch als Nachhaltephase bezeichnet werden. Die mit A bezeichnete Phase kann als Vorhaltephase bezeichnet werden. Bevorzugte Zeiten für die einzelnen Phasen sind oben angegeben.
Der Schweißvorgang beginnt mit einer Vorhaltephase A. In dieser Phase fließt kein
Schweißstrom I. Während der ersten Bestromungsphase B (Vorphase) wird eine Schmelze mit einer bestimmten Ausdehnung erzeugt, woraus sich in der anschließenden Abkühl- und Verfestigungsphasen C eine verhältnismäßig kleine Schweißlinse 131 ausbildet, wie in Fig. 3a gezeigt. Dadurch werden die Bauteile 1 10 und 120 stoffschlüssig zusammengehalten, was aufgrund der höchstfesten Eigenschaften der Bauteilwerkstoffe für die sich anschließende zweite Bestromungsphase D (Hauptphase) von Vorteil ist, da die Bauteile 1 10 und 120 mittels der Elektroden 210 und 220 sonst nicht ausreichend
aneinandergedrückt werden können, um einen optimalen Stromfluss (durch Verringerung des Kontaktwiderstands) zu gewährleisten und Schweißspritzer zu vermeiden.
In der zweiten Bestromungsphase D (Hauptphase), wobei diese Bestromungsphase länger als die erste Bestromungsphase B ist und auch die Schweißstromstärke während dieser Bestromungsphase höher als in der ersten Bestromungsphase B ist, wird eine Schmelze mit einer bestimmten Ausdehnung erzeugt, wobei die zuvor gebildete Schweißlinse 131 vollständig aufgeschmolzen wird. In der anschließenden Abkühl- und Verfestigungsphasen E wird eine verhältnismäßig große Schweißlinse 132 ausgebildet, wie in Fig. 3b gezeigt. Die Schweißlinse 132 ist Träger der Randspannungen zu den Bauteilen 1 10 und 120.
In einer dritten Bestromungsphase F (Nachphase), wobei diese Bestromungsphase kürzer als die zweite Bestromungsphase D ist und auch die Schweißstromstärke während dieser Bestromungsphase niedriger als in der zweiten Bestromungsphase D ist, wird innerhalb der Schweißlinse 132 eine Schmelze mit einer bestimmten Ausdehnung erzeugt. In der anschließenden Abkühl- und Verfestigungsphasen G (Nachhaltephase) bildet sich innerhalb der Schweißlinse 132 eine innenliegende Schweißlinse 133 aus, wie in Fig. 3c gezeigt. In vorteilhafter Weise sind hierdurch etwaige Dendriten (bäum- oder strauchartige
Gefügestrukturen) in der äußeren Schweißlinse 132 abgeschnitten, was zu einem feineren Gefüge und einer damit einhergehenden verbesserten Duktilität, verringerten
Sprödbruchneigung und höheren Festigkeit führt.
Die insgesamt mit 140 bezeichnete Schweißlinse setzt sich somit aus mehreren erstarrten Schmelzenbereichen 132 und 133 zusammen, wobei die die Schweißlinse 140 bildenden verschiedenen Schmelzenbereiche 132 und 133 zueinander abgegrenzt sind und/oder sich in ihrer metallurgischen Gefügestruktur unterscheiden. Der Aufbau bzw. die
Zusammensetzung der Schweißlinse 140 kann mit dem Aufbau einer Zwiebel verglichen werden (zwiebelartiger Aufbau bzw. zwiebelartige Struktur). Die Schweißlinse 140 kann auch als„Linse in Linse" bezeichnet werden, wobei die Schmelzlinie der innenliegenden
Schweißlinse 133 vollständig innerhalb der außenliegenden Schweißlinse 132 verläuft. Eine exemplarische Untersuchung zeigte, dass die eine solche Schweißlinse 140 umfassende Schweißverbindung sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Duktilität aufweist. Dies ist teilweise auch darin begründet, dass die an die Schweißlinse 140 angrenzenden Werkstoffbereiche durch die eingebrachte Schweißenergie eine Wärmebehandlung erfahren haben, wie obenstehend erläutert.
Fig. 4 zeigt eine Schweißverbindung zwischen den Bauteilen 1 10 und 120 bei der die „zwiebelartige" Schweißlinse 140 eine weitere innenliegende Schweißlinse 134 umfasst, die gemäß obenstehenden Erläuterungen durch eine vierte Bestromungsphase herbeigeführt wurde. In vorteilhafter Weise sind durch die innerste Schweißlinse 134 etwaige Dendriten in der mittleren Schweißlinse 133 abgeschnitten.
Fig. 5 zeigt in Analogie zur Fig. 3 in vier Einzeldarstellungen die alternative Ausbildung einer Schweißlinse 140, die mehrere nebeneinanderliegende und ineinander geschichtete
Schmelzenbereichen aufweist. Hinsichtlich der Fig. 5a und 5b wird auf die obenstehenden Erläuterungen im Zusammenhang mit den Fig. 3a und 3b verwiesen.
Ausgehend von dem in Fig. 5b gezeigten Zustand wird durch eine dritte Bestromungsphase der in Fig. 5c gezeigte Zustand, bei dem zwei weitere Schweißlinsen bzw.
Schmelzenbereiche 135a zwischen der großen Schweißlinse 132 und den Außenflächen der Bauteile 1 10 und 120 ausgebildet sind, herbeigeführt. Nach einer Abkühl- und
Verfestigungsphase oder gegebenenfalls auch ohne eine solche Abkühl- und
Verfestigungsphase wird durch eine weitere Bestromungsphase der in Fig. 5d dargestellte Endzustand herbeigeführt, bei dem die beiden Schmelzenbereiche 135b die Schweißlinse bzw. den Schmelzenbereich 132 durchdringen und sich in etwa in der Trennebene zwischen den beiden Bauteilen 1 10 und 120 berühren bzw. aneinander grenzen. Die insgesamt mit 140 bezeichnete Schweißlinse setzt sich in diesem Fall also aus mehreren erstarrten Schmelzenbereichen 132 und 135b zusammen, die sowohl nebeneinander liegen als auch ineinander geschichtet bzw. ineinander geschachtelt oder verschachtelt sind.
Bezugszeichenliste
1 10 erstes, unteres Bauteil
120 zweites, oberes Bauteil
131 Schweißlinse bzw. Schmelzenbereich
132 Schweißlinse bzw. Schmelzenbereich
133 Schweißlinse bzw. Schmelzenbereich
134 Schweißlinse bzw. Schmelzenbereich 135a/b Schweißlinse bzw. Schmelzenbereich 140 Schweißlinse
210 Elektrode
220 Elektrode
A ... G Phasen des Schweißvorgangs
I Schweißstrom
P Druckkraft, Elektrodenkraft
0 Startpunkt des Schweißvorgangs
1 Endpunkt des Schweißvorgangs

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Widerstandsschweißen von Bauteilen (1 10, 120), wobei an der Schweißstelle mittels beidseitig der Bauteile (1 10, 120) angeordneter Elektroden (210, 220) eine Druckkraft (P) auf die Bauteile (1 10, 120) aufgebracht wird und die Bauteile (210, 220) mittels eines über die Elektroden (210, 220) geführten
Schweißstroms (I) unter Ausbildung einer Schweißlinse miteinander verschweißt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schweißstrom (I) einen veränderlichen Zeitverlauf aufweist, der sich durch abwechselnde hochstromige Bestromungsphasen (B, D, F) und niederstromige oder stromfreie Abkühl- und Verfestigungsphasen (C, E, G) auszeichnet, wodurch eine Schweißlinse (140) aus mehreren ineinander geschichteten und/oder
nebeneinanderliegenden Schmelzenbereichen (132-135) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Bestromungsphasen (B, D, F) hinsichtlich der zeitlichen Länge und/oder der Schweißstromstärke unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schweißstromstärke innerhalb einer Bestromungsphase (B, D, F) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von den Elektroden (210, 220) auf die Bauteile (1 10, 120) aufgebrachte Druckkraft (P) während des gesamten Schweißvorgangs aufrecht erhalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zeitliche Länge der Bestromungsphasen (B, D, F) 50 ms bis 1000 ms, bevorzugt 75 ms bis 800 ms und insbesondere 100 ms bis 750 ms beträgt und/oder dass die zeitliche Länge der Abkühl- und Verfestigungsphasen (C, E, G) 10 ms bis 1000 ms, bevorzugt 20 ms bis 750 ms und insbesondere 25 ms bis 500 ms beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bis zu acht hochstromige Bestromungsphasen vorgesehen sind, die sich hinsichtlich ihrer zeitlichen Länge und/oder der Schweißstromstärke unterscheiden.
7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
drei hochstromige Bestromungsphasen (B, D, F) vorgesehen sind: eine Vorphase (B) mit verhältnismäßig niedriger Schweißstromstärke, eine Hauptphase (D) mit verhältnismäßig hoher Schweißstromstärke und eine Nachphase (F) mit
verhältnismäßig niedriger Schweißstromstärke.
8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eines und bevorzugt beide Bauteile (1 10, 120) aus einem höherfesten oder höchstfesten Stahlmaterial und insbesondere aus einem pressgehärteten
Stahlmatetrial gebildet sind.
9. Bauteilverbund, der mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden
Ansprüche hergestellt wurde, mit wenigstens zwei Bauteilen (1 10, 120) die an wenigstens einer Schweißstelle unter Einschluss einer Schweißlinse miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schweißlinse (140) mehrere ineinander geschichtete und/oder
nebeneinanderliegende Schmelzenbereiche (132-135) aufweist.
10. Bauteilverbund nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eines und bevorzugt beide Bauteile (1 10, 120) aus einem höherfesten oder höchstfesten Stahlmaterial und insbesondere aus einem pressgehärteten
Stahlmatetrial gebildet sind.
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