DE102014114335A1

DE102014114335A1 - ALUMINUM ALLOY ON STEEL WELDING

Info

Publication number: DE102014114335A1
Application number: DE201410114335
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; James G. Schroth; Blair E. Carlson; Yelena Myasnikova; David Yang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: DE102014114335B4

Abstract

Ein Widerstandspunktschweißverfahren kann beinhalten, dass ein Werkstückstapel punktgeschweißt wird, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, die einander überlappen, um eine Stoß-Grenzfläche bereitzustellen. Ein Paar von entgegengesetzten Schweißelektroden wird gegen gegenüberliegende Seiten des Werkstückstapels gepresst, wobei eine Schweißelektrode mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück in Kontakt steht und die andere Schweißelektrode mit dem Stahlwerkstück in Kontakt steht. Die Schweißelektroden sind so aufgebaut, dass, wenn ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden und durch den Werkstückstapel hindurch geleitet wird, der elektrische Strom in dem Stahlwerkstück eine höhere Stromdichte aufweist als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück, um dadurch Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück zu konzentrieren. Man nimmt an, dass ein Konzentrieren von Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück das Erstarrungsverhalten des resultierenden Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades in einer wünschenswerten Art und Weise verändert.A resistance spot welding method may include spot welding a workpiece stack that includes a steel workpiece and an aluminum alloy workpiece that overlap one another to provide a butting interface. A pair of opposed welding electrodes are pressed against opposite sides of the workpiece stack with one welding electrode in contact with the aluminum alloy workpiece and the other welding electrode in contact with the steel workpiece. The welding electrodes are constructed so that when an electric current is passed between the electrodes and through the workpiece stack, the electric current in the steel workpiece has a higher current density than in the aluminum alloy workpiece to thereby heat within a smaller zone in the steel workpiece to concentrate. It is believed that concentrating heat within a smaller zone in the steel workpiece will alter the solidification behavior of the resulting aluminum alloy weld pool in a desirable manner.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nummer 61/886 752, eingereicht am 4. Oktober 2013, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 886,752 filed Oct. 4, 2013, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Widerstandspunktschweißen und im Spezielleren das Widerstandspunktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück.The technical field of this disclosure relates generally to resistance spot welding, and more particularly to resistance spot welding a steel workpiece to an aluminum alloy workpiece.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Das Widerstandspunktschweißen ist ein Verfahren, das in einer Anzahl von Industrien verwendet wird, um zwei oder mehr Metallwerkstücke aneinander zu fügen. Die Automobilindustrie verwendet beispielsweise oft das Widerstandspunktschweißen, um vorgefertigte Metallwerkstücke während der Herstellung von, unter anderem, einer/s Fahrzeugtür, -haube, -kofferraumdeckels oder -heckklappe aneinander zu fügen. Es werden in der Regel mehrere Punktschweißnähte entlang eines Umfangsbereiches der Metallwerkstücke oder an einem anderen Bindungsgebiet gebildet, um sicherzustellen, dass das Teil strukturell einwandfrei ist. Während das Punktschweißen typischerweise praktiziert wurde, um bestimmte, ähnlich zusammengesetzte Metallwerkstücke – z. B. Stahl an Stahl und Aluminiumlegierung an Aluminiumlegierung – aneinander zu fügen, hat der Wunsch, leichtgewichtigere Materialien in eine Fahrzeugplattform einzubauen, das Interesse am Fügen von Stahlwerkstücken an Aluminiumlegierungs-Werkstücke durch Widerstandspunktschweißen mit sich gebracht. Überdies würde die Möglichkeit des Widerstandspunktschweißens von Werkstückstapeln, die unterschiedliche Werkstück-Kombinationen (z. B. Aluminiumlegierung/Aluminiumlegierung, Stahl/Stahl und Aluminiumlegierung/Stahl) enthalten, mit einem Anlagenteil die Produktionsflexibilität erhöhen und Herstellungskosten reduzieren.Resistance spot welding is a process used in a number of industries to join two or more metal workpieces together. For example, the automotive industry often uses resistance spot welding to abut prefabricated metal workpieces during the manufacture of, inter alia, a vehicle door, hood, trunk lid or tailgate. Typically, multiple spot welds are formed along a peripheral area of the metal workpieces or other bonding area to ensure that the part is structurally sound. While spot welding has typically been practiced to produce certain, similarly assembled metal workpieces - e.g. For example, to join steel to steel and aluminum alloy to aluminum alloy, the desire to incorporate lighter weight materials into a vehicle platform has created interest in joining steel workpieces to aluminum alloy workpieces by resistance spot welding. Moreover, the possibility of resistance spot welding of workpiece stacks containing different workpiece combinations (eg aluminum alloy / aluminum alloy, steel / steel and aluminum alloy / steel) with one piece of equipment would increase production flexibility and reduce manufacturing costs.

Das Widerstandspunktschweißen im Allgemeinen beruht auf dem Widerstand gegenüber dem Fluss eines elektrischen Stromes durch überlappende stehende Metallwerkstücke und über ihre Stoß-Grenzfläche hinweg, um Wärme zu erzeugen. Um solch einen Schweißprozess durchzuführen, wird ein Paar entgegengesetzter Punktschweißelektroden in der Regel an diametral ausgerichteten Punkten auf gegenüberliegenden Seiten der Werkstücke an einer vorbestimmten Schweißstelle eingespannt. Dann wird ein elektrischer Strom durch die Metallwerkstücke hindurch von einer Elektrode zu der anderen geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss dieses elektrischen Stromes erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an ihrer Stoß-Grenzfläche. Wenn die Metallwerkstücke, die punktverschweißt werden, ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück sind, initiiert die an der Stoß-Grenzfläche erzeugte Wärme ein Schweißschmelzbad, das sich von der Stoß-Grenzfläche in das Aluminiumlegierungs-Werkstück hinein erstreckt. Das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad benetzt die benachbarte Oberfläche des Stahlwerkstückes und erstarrt nach dem Beenden des Stromflusses zu einer Schweißlinse, die eine ganze oder einen Teil einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken bildet.Resistance spot welding generally relies on resistance to the flow of electrical current through overlapping stationary metal workpieces and across their impact interface to generate heat. To perform such a welding process, a pair of opposed spot welding electrodes are typically clamped at diametrically aligned points on opposite sides of the workpieces at a predetermined weld. Then, an electric current is passed through the metal workpieces from one electrode to the other. The resistance to the flow of this electrical current generates heat within the metal workpieces and at their impact interface. When the metal workpieces that are spot-welded are a steel workpiece and an aluminum alloy workpiece, the heat generated at the impact interface initiates a weld pool extending into the aluminum alloy workpiece from the impact interface. The aluminum alloy weld pool wets the adjacent surface of the steel workpiece and, upon completion of the flow of current, solidifies into a weld nugget that forms all or part of a weld between the two workpieces.

In der Praxis stellt das Punktschweißen eines Stahlwerkstückes an ein Aluminiumlegierungs-Werkstück allerdings eine Herausforderung dar, da eine Anzahl von Eigenschaften dieser beiden Metalle die Festigkeit – insbesondere die Abschälfestigkeit – der Schweißverbindung nachteilig beeinflussen kann. Zum einen enthält das Aluminiumlegierungs-Werkstück üblicherweise eine oder mehrere hitzebeständige Oxidschichten (hierin nachfolgend kollektiv als „Oxidschicht” bezeichnet) auf seiner Oberfläche. Die Oxidschicht, die hauptsächlich aus Aluminiumoxiden zusammengesetzt ist, aber auch andere Oxide wie z. B. Magnesiumoxide umfassen kann, ist elektrisch isolierend und mechanisch robust. Die Oberflächen-Oxidschicht erhöht daher den elektrischen Kontaktwiderstand eines Aluminiumlegierungs-Werkstückes – insbesondere an seiner Stoßfläche und an seinem Elektrodenkontaktpunkt – was es schwierig macht, die Wärme innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes effektiv zu steuern und zu konzentrieren, weshalb sie dazu neigt, die Fähigkeit der Schweißbadschmelze zu behindern, das Stahlwerkstück zu benetzen. Und während in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen wurden, zu versuchen, die Oxidschicht vor dem Punktschweißen von dem Aluminiumlegierungs-Werkstück zu entfernen, können solche Vorgehensweisen unpraktisch sein, da die Oxidschicht die Fähigkeit besitzt, sich in der Gegenwart von Sauerstoff, insbesondere mit der Anwendung von Wärme von Punktschweißanwendungen, zu regenerieren.In practice, however, spot welding a steel workpiece to an aluminum alloy workpiece presents a challenge because a number of properties of these two metals can adversely affect the strength, particularly peel strength, of the weld. First, the aluminum alloy workpiece typically includes one or more refractory oxide layers (hereinafter collectively referred to as "oxide layer") on its surface. The oxide layer, which is mainly composed of aluminum oxides, but also other oxides such. B. magnesium oxides, is electrically insulating and mechanically robust. The surface oxide layer therefore increases the electrical contact resistance of an aluminum alloy workpiece, particularly at its abutment surface and at its electrode contact point, making it difficult to effectively control and concentrate the heat within the aluminum alloy workpiece, thus tending to increase the ability of the aluminum alloy workpiece Hampering molten weld, to wet the steel workpiece. And while efforts have been made in the past to attempt to remove the oxide layer from the aluminum alloy workpiece prior to spot welding, such approaches may be impractical because the oxide layer has the ability to react in the presence of oxygen, particularly with the use of Heat from spot welding applications, to regenerate.

Das Stahlwerkstück und das Aluminiumlegierungs-Werkstück besitzen auch verschiedene Eigenschaften, die dazu neigen, den Punktschweißprozess zu verkomplizieren. Insbesondere weist Stahl einen relativ hohen Schmelzpunkt (~1500°C) und einen relativ hohen thermischen und elektrischen Widerstand auf, während die Aluminiumlegierung einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (~600°C) und einen relativ niedrigen thermischen und elektrischen Widerstand aufweist. Infolge dieser physikalischen Unterschiede wird während des elektrischen Stromflusses der Großteil der Wärme in dem Stahlwerkstück erzeugt. Dieses Wärme-Ungleichgewicht errichtet einen Temperaturgradienten zwischen dem Stahlwerkstück (höhere Temperatur) und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück (niedrigere Temperatur), der ein schnelles Schmelzen des Aluminiumlegierungs-Werkstückes initiiert. Die Kombination aus dem während des Stromflusses erzeugten Temperaturgradienten und der hohen thermischen Leitfähigkeit des Aluminiumlegierungs-Werkstückes bedeutet, dass sich, unmittelbar nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, eine Situation einstellt, in der Wärme nicht symmetrisch von der Schweißstelle verteilt wird. Vielmehr wird Wärme von dem heißeren Stahlwerkstück durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück hindurch in Richtung der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück geleitet, was steile thermische Gradienten in dieser Richtung erzeugt.The steel workpiece and the aluminum alloy workpiece also have various properties that tend to complicate the spot welding process. In particular, steel has a relatively high melting point (~ 1500 ° C) and a relatively high thermal and electrical resistance, while the aluminum alloy has a relatively low melting point (~ 600 ° C) and a relatively low thermal and electrical resistance. As a result of this physical Differences are generated during the electrical current flow of most of the heat in the steel workpiece. This heat imbalance establishes a temperature gradient between the steel workpiece (higher temperature) and the aluminum alloy workpiece (lower temperature), which initiates rapid melting of the aluminum alloy workpiece. The combination of the temperature gradient generated during the current flow and the high thermal conductivity of the aluminum alloy workpiece means that immediately after the electric current has ceased, a situation arises in which heat is not distributed symmetrically from the weld. Rather, heat from the hotter steel workpiece is directed through the aluminum alloy workpiece toward the welding electrode in contact with the aluminum alloy workpiece, producing steep thermal gradients in that direction.

Man nimmt an, dass die Entwicklung von steilen thermischen Gradienten zwischen dem Stahlwerkstück und der Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück die Integrität der resultierenden Schweißverbindung auf zweierlei primäre Art und Weise schwächt. Erstens, da das Stahlwerkstück Wärme über eine längere Dauer zurückhält als das Aluminiumlegierungs-Werkstück, nachdem der elektrische Strom aufgehört hat, erstarrt das Schweißschmelzbad, das in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück initiiert und zum Wachsen gebracht wurde, gerichtet, beginnend von dem Gebiet am nächsten bei der kälteren Schweißelektrode (oft wassergekühlt), welches dem Aluminiumlegierungs-Werkstück zugehörig ist, und sich in Richtung der Stoß-Grenzfläche ausbreitend. Eine Erstarrungsfront dieser Art neigt dazu, Fehler – z. B. eine Gasporosität, Schrumpfungshohlräume, Mikrorissbildung und Oxidrückstände – in Richtung und entlang der Stoß-Grenzfläche innerhalb der Aluminiumlegierungs-Schweißlinse zu reißen oder zu treiben. Zweitens begünstigt die anhaltend erhöhte Temperatur in dem Stahlwerkstück das Wachstum von spröden intermetallischen Fe-Al-Verbindungen an und entlang der Stoß-Grenzfläche. Die intermetallischen Verbindungen neigen dazu, dünne Reaktionsschichten zwischen der Schweißlinse und dem Stahlwerkstück zu bilden. Diese intermetallischen Schichten werden allgemein als Teil der Schweißverbindung, falls vorhanden, zusätzlich zu der Schweißlinse betrachtet. Man nimmt an, dass das Vorhandensein einer Verteilung von Schweißlinsenfehlern zusammen mit übermäßigem Wachstum von intermetallischen Fe-Al-Verbindungen entlang der Stoß-Grenzfläche, die Abschälfestigkeit der fertigen Schweißverbindung herabsetzt.It is believed that the development of steep thermal gradients between the steel workpiece and the welding electrode in contact with the aluminum alloy workpiece weakens the integrity of the resulting weld joint in two primary ways. First, since the steel workpiece retains heat for a longer duration than the aluminum alloy workpiece after the electric current has ceased, the molten weld pool initiated and grown in the aluminum alloy workpiece solidifies directionally, starting from the area closest to the colder welding electrode (often water cooled) associated with the aluminum alloy workpiece and propagating toward the impact interface. A solidification front of this kind tends to errors - z. Gaseous porosity, shrinkage voids, microcracking, and oxide residues - in the direction and along the impact interface within the aluminum alloy weld nugget. Second, the persistently elevated temperature in the steel workpiece favors the growth of brittle Fe-Al intermetallic compounds at and along the impact interface. The intermetallic compounds tend to form thin reaction layers between the weld nugget and the steel workpiece. These intermetallic layers are generally considered to be part of the weld joint, if any, in addition to the weld nugget. It is believed that the presence of a distribution of weld lens flaws, along with excessive growth of Fe-Al intermetallic compounds along the impact interface, reduces the peel strength of the finished weld joint.

Im Licht der zuvor erwähnten Herausforderungen haben bisherige Bemühungen zum Punktschweißen eines Stahlwerkstückes und eines Aluminiumlegierungs-Werkstückes einen Schweißplan verwendet, der höhere Ströme, längere Schweißzeiten oder beides (verglichen mit dem Punktschweißen von Stahl an Stahl) bestimmt, um eine angemessene Schweißbindungsfläche zu versuchen und zu beschaffen. Diese Bemühungen waren großteils erfolglos in einer Produktionsumgebung und neigen dazu, die Schweißelektroden zu beschädigen. Unter der Maßgabe, dass die bisherigen Bemühungen zum Punktschweißen nicht besonders erfolgreich waren, wurden stattdessen vorwiegend mechanische Verfahren wie z. B. Schlagniete und Flow-Drill-Schrauben verwendet. Sowohl Schlagniete als auch Flow-Drill-Schrauben sind verglichen mit dem Punktschweißen wesentlich langsamer und sind mit hohen Gebrauchskosten verbunden. Sie fügen der Fahrzeugkarosseriestruktur auch Gewicht hinzu, was an einem bestimmten Punkt beginnen kann, die Gewichtseinsparungen zu konterkarieren, welche durch die hauptsächliche Verwendung von Aluminiumlegierungs-Werkstücken erzielt wurden. Somit wären auf dem technischen Gebiet Fortschritte beim Punktschweißen willkommen, welche den Prozess besser in die Lage versetzen würden, Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke zu fügen.In the light of the aforementioned challenges, previous efforts to spot weld a steel workpiece and aluminum alloy workpiece have used a weld schedule that determines higher currents, longer weld times, or both (compared to spot welding of steel to steel) to attempt and provide an adequate weld bonding surface obtain. These efforts have been largely unsuccessful in a production environment and tend to damage the welding electrodes. Assuming that the previous efforts for spot welding were not particularly successful, mainly mechanical methods such. B. impact rivets and flow-drill screws used. Both impact rivets and flow-drill screws are much slower compared to spot welding and are associated with high utility costs. They also add weight to the vehicle body structure, which at some point may begin to counteract the weight savings achieved by the principal use of aluminum alloy workpieces. Thus, in the technical field, advances in spot welding would be welcome, which would better enable the process to add steel and aluminum alloy workpieces.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Stapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, beinhaltet, dass gegenüberliegende Seiten des Stapels an einer vorbestimmten Schweißstelle mit entgegengesetzten Schweißelektroden in Kontakt gebracht werden. Eine Schweißelektrode steht mit dem Stahlwerkstück in Kontakt und wird gegen dieses gepresst, und die andere Schweißelektrode steht dem Aluminiumlegierungs-Werkstück in Kontakt und wird gegen dieses gepresst. Dann wird ein elektrischer Strom zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch geleitet, um ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes und an einer Stoß-Grenzfläche der Werkstücke zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Die Schweißelektroden bilden in ihren jeweiligen Werkstücken eine Aufstandsfläche, und nach Beenden des Stromflusses weist die an dem Aluminiumlegierungs-Werkstück gebildete Aufstandsfläche eine größere Oberfläche auf als die an dem Stahlwerkstück gebildete Aufstandsfläche. Die Differenz der Aufstandsflächengrößen hat einen Durchgang des elektrischen Stromes durch das Stahlwerkstück bei einer höheren Stromdichte als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück zur Folge.A method of resistance spot welding a stack comprising a steel workpiece and an aluminum alloy workpiece includes contacting opposite sides of the stack at a predetermined weld with opposite welding electrodes. One welding electrode is in contact with and pressed against the steel workpiece, and the other welding electrode contacts and is pressed against the aluminum alloy workpiece. Then, an electric current is passed between the welding electrodes and through the stack to initiate and grow an aluminum alloy weld pool within the aluminum alloy workpiece and at a butting interface of the workpieces. The welding electrodes form a footprint in their respective workpieces, and upon completion of the current flow, the footprint formed on the aluminum alloy workpiece has a larger surface area than the footprint formed on the steel workpiece. The difference in footprint sizes results in a passage of electrical current through the steel workpiece at a higher current density than in the aluminum alloy workpiece.

Die Differenz in der Stromdichte zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück (höhere Stromdichte in dem Stahlwerkstück) konzentriert Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück. Der Schweißstromplan kann gleichmäßig geregelt werden, falls erwünscht, um ein Schweißschmelzbad innerhalb des Stahlwerkstückes zusätzlich dazu zu initiieren, dass das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes und an der Stoß-Grenzfläche initiiert wird. Der Vorgang des Konzentrierens von Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück – möglicherweise in dem Ausmaß zum Initiieren eines Stahl-Schweißschmelzbades – verändert die Temperaturgradienten und dadurch das Erstarrungsverhalten des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades. Man nimmt an, dass diese thermisch induzierten Effekte eine Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche zur Folge haben können, die eine verbesserte Abschälfestigkeit und eine bessere strukturelle Gesamtintegrität aufweist.The difference in current density between the steel and the aluminum alloy workpiece (higher current density in the steel workpiece) concentrates heat within a smaller zone in the steel workpiece as compared to the aluminum alloy workpiece. The welding current plan can if desired, to initiate a weld pool within the steel workpiece in addition to initiating the aluminum alloy weld pool within the aluminum alloy workpiece and at the impact interface. The process of concentrating heat within a smaller zone in the steel workpiece - possibly to the extent of initiating a steel weld pool - alters the temperature gradients and thereby the solidification behavior of the aluminum alloy weld pool. It is believed that these thermally-induced effects can result in a butt joint weld joint having improved peel strength and better overall structural integrity.

Im Speziellen nimmt man an, dass das Konzentrieren von Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück bewirkt, dass Temperaturgradienten innerhalb des und um das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad/es herum gebildet werden, wodurch zugelassen wird, dass das Schweißbad von seinem äußeren Umfang in Richtung seines Zentrums erstarrt. Eine Erstarrungsfront, die sich von dem Schweißbadumfang einwärts in Richtung des Zentrums des Schweißbades bewegt, treibt wiederum Schweißfehler in Richtung des Zentrums der Schweißverbindung, wo sie weniger dafür anfällig sind, die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung zu beeinflussen. Das Konzentrieren von Wärme, sodass ein Stahl-Schweißbad initiiert wird, kann ferner dabei helfen, Fehler in das Zentrum der Schweißverbindung hinein zu treiben, indem bewirkt wird, dass sich das Stahlwerkstück in Richtung der Stoß-Grenzfläche verdickt. Eine derartige Verdickung des Stahlwerkstückes hilft dabei, dass das Zentrum des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades erwärmt bleibt, sodass es zuletzt erstarrt. Die durch die Verdickung des Stahlwerkstückes geschaffene nicht ebene Stoß-Grenzfläche kann auch dabei helfen, einer Rissbildung in der letztlich gebildeten Schweißverbindung zu widerstehen.Specifically, it is believed that concentrating heat within a smaller zone in the steel workpiece as compared to the aluminum alloy workpiece causes temperature gradients to be formed within and around the aluminum alloy weld pool, thereby allowing the weld pool of its outer periphery solidifies toward its center. A solidification front that moves inwardly from the periphery of the weld pool towards the center of the weld pool, in turn, drives welding defects toward the center of the weld where they are less prone to affect the mechanical properties of the weld. Concentrating heat such that a steel weld pool is initiated may also help propel faults into the center of the weld by causing the steel workpiece to thicken toward the impact interface. Such a thickening of the steel workpiece helps to keep the center of the aluminum alloy weld pool heated so that it finally solidifies. The non-planar impact interface created by the thickening of the steel workpiece may also help to resist cracking in the ultimately formed weld joint.

Es gibt eine Vielfalt von Schweißelektroden-Bauformen und -Kombinationen, die zum Punktschweißen des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes des Stapels verwendet werden können, sodass eine größere elektrische Stromdichte in dem Stahlwerkstück verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück erreicht wird. Die Schweißelektrode auf der Stahlseite kann z. B. eine ebene oder relativ ebene Schweißfläche mit einem kleinen Durchmesser aufweisen, während die Schweißelektrode auf der Aluminiumlegierungsseite eine ebene oder stärker gerundete Schweißfläche mit einem größeren Durchmesser aufweisen kann. Die beiden Schweißelektroden können auch Multifunktionselektroden mit ähnlicher Bauform sein, die konstruiert sind, um Aufstandsflächen mit asymmetrischen Oberflächen an dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück zu bilden. Außer dass solche Schweißelektroden das Stahlwerkstück und das Aluminiumlegierungs-Werkstück besser punktschweißbar machen, können sie auch zum Punktschweißen von Stapeln aus Stahlwerkstücken und Stapeln aus Aluminiumlegierungs-Werkstücken verwendet werden, wenn Punktschweißprozess-Flexibilität erwünscht ist.There are a variety of welding electrode designs and combinations that can be used to spot weld the steel and aluminum alloy workpieces of the stack so that greater electrical current density is achieved in the steel workpiece as compared to the aluminum alloy workpiece. The welding electrode on the steel side can z. B. have a flat or relatively flat welding surface with a small diameter, while the welding electrode on the aluminum alloy side may have a flat or more rounded welding surface with a larger diameter. The two welding electrodes may also be multifunctional electrodes of similar construction designed to form footprints with asymmetric surfaces on the steel and aluminum alloy workpieces. Besides being more spot weldable to the steel workpiece and the aluminum alloy workpiece, such welding electrodes can also be used to spot weld stacks of steel workpieces and stacks of aluminum alloy workpieces when spot welding process flexibility is desired.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine seitliche Aufrissansicht eines Werkstückstapels, der ein Stahlwerkstück und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück umfasst, die in einer überlappenden Weise zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle mithilfe einer Schweißpistole zusammengestellt sind; 1 Figure 11 is a side elevation view of a workpiece stack including a steel workpiece and an aluminum alloy workpiece assembled in an overlapping manner for resistance spot welding at a predetermined weld location using a welding gun;

2 ist eine partielle, vergrößerte Ansicht des Stapels und von entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 1 abgebildet sind; 2 is a partial, enlarged view of the stack and opposed welding electrodes incorporated in FIG 1 are shown;

3 ist eine partielle, auseinandergezogene Seitenansicht des Stapels und von entgegengesetzten Schweißelektroden, die in 2 abgebildet sind; 3 is a partial, exploded side view of the stack and opposed welding electrodes incorporated in FIG 2 are shown;

4 ist eine seitliche Aufrissansicht der in 3 abgebildeten Stahl-Schweißelektrode; 4 is a side elevational view of the in 3 illustrated steel welding electrode;

5 ist eine seitliche Aufrissansicht der in 3 abgebildeten Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode; 5 is a side elevational view of the in 3 pictured aluminum alloy welding electrode;

6 ist eine partielle Querschnittsansicht (der Stapel ist im Querschnitt gezeigt) des Stapels während des Punktschweißens, bei dem die Stahl-Schweißelektrode mit einer Elektroden-Kontaktfläche des Stahlwerkstückes in Kontakt steht und eine Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode mit einer Elektroden-Kontaktfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstückes in Kontakt steht; 6 FIG. 12 is a partial cross-sectional view (the stack is shown in cross-section) of the stack during spot welding in which the steel welding electrode is in contact with an electrode contact surface of the steel workpiece and an aluminum alloy welding electrode contacts an electrode contact surface of the aluminum alloy workpiece stands;

7 ist eine partielle Querschnittsansicht (der Stapel ist im Querschnitt gezeigt) des Stapels nach dem Aufhören des elektrischen Stromes, bei dem sich eine Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche gebildet hat und sich eine Stahl-Schweißlinse innerhalb des Stahlwerkstückes gebildet hat; 7 Fig. 12 is a partial cross-sectional view (the stack is shown in cross-section) of the stack after the cessation of electrical current in which a weld joint has formed at the impact interface and a steel weld nugget has formed within the steel workpiece;

8 ist eine seitliche Aufrissansicht einer Multifunktions-Schweißelektrode, die während des Punktschweißens des in den 1–3 abgebildeten Stapels als die Stahl-Schweißelektrode, die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode oder beide Schweißelektroden verwendet werden kann; 8th is a side elevational view of a multi-function welding electrode during the spot welding of the in 1 - 3 mapped stack as the steel welding electrode, the aluminum alloy welding electrode or both welding electrodes can be used;

9 ist eine partielle Querschnittsansicht (der Stapel ist im Querschnitt gezeigt) des Stapels während des Punktschweißens, bei dem die in 8 gezeigte Multifunktions-Schweißelektrode sowohl als die Stahl-Schweißelektrode als auch die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode verwendet wird; 9 is a partial cross-sectional view (the stack is shown in cross-section) of the stack during spot welding, in which the in 8th shown multi-function welding electrode is used as both the steel welding electrode and the aluminum alloy welding electrode;

10 ist eine seitliche Aufrissansicht einer weiteren Multifunktions-Schweißelektrode, die während des Punktschweißens des in den 1–3 abgebildeten Stapels als die Stahl-Schweißelektrode, die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode oder beide Schweißelektroden verwendet werden kann; 10 is a side elevational view of another multifunction welding electrode, during the spot welding of the in the 1 - 3 mapped stack as the steel welding electrode, the aluminum alloy welding electrode or both welding electrodes can be used;

11 ist eine partielle Querschnittsansicht (der Stapel ist im Querschnitt gezeigt) des Stapels während des Punktschweißens, bei dem die in 10 gezeigte Multifunktions-Schweißelektrode mit einer Elektroden-Kontaktfläche des Stahlwerkstückes in Kontakt steht und die in 5 gezeigte eine Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode mit einer Elektroden-Kontaktfläche des Aluminiumlegierungs-Werkstückes in Kontakt steht; 11 is a partial cross-sectional view (the stack is shown in cross-section) of the stack during spot welding, in which the in 10 shown multifunctional welding electrode in contact with an electrode contact surface of the steel workpiece and the in 5 an aluminum alloy welding electrode shown in contact with an electrode contact surface of the aluminum alloy workpiece;

12 ist eine Mikroaufnahme eines Aluminiumlegierungs-Werkstückes (oberes Substrat) und eines Stahlwerkstückes (unteres Substrat), die mithilfe eines Paares von Schweißelektroden miteinander widerstandspunkverschweißt worden sind, welche einen elektrischen Strom mit einer höheren Stromdichte verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück durch das Stahlwerkstück hindurch geleitet haben; 12 FIG. 12 is a photomicrograph of an aluminum alloy workpiece (upper substrate) and a steel workpiece (lower substrate) resistance welded together using a pair of welding electrodes which have passed electrical current of a higher current density through the steel workpiece as compared to the aluminum alloy workpiece ;

13 ist eine Mikroaufnahme der in 12 gezeigten Struktur, nachdem sie geätzt wurde, um die Stahl-Schweißlinse besser zu zeigen, die in dem Stahlwerkstück gebildet wurde; 13 is a micrograph of in 12 after being etched to better show the steel weld nugget formed in the steel workpiece;

14 ist eine Mikroaufnahme eines Aluminiumlegierungs-Werkstückes (oberes Substrat) und eines Stahlwerkstückes (unteres Substrat), die auf eine herkömmliche Art und Weise miteinander widerstandspunkverschweißt worden sind; 14 Fig. 11 is a micrograph of an aluminum alloy workpiece (upper substrate) and a steel workpiece (lower substrate) which have been resistance-point welded together in a conventional manner;

15 ist eine partielle Querschnittsansicht eines Stapels, der ein Paar Aluminiumlegierungs-Werkstücke umfasst, nachdem sie unter Verwendung der in 8 gezeigten Multifunktions-Schweißelektrode auf jeder Seite des Stapels miteinander widerstandspunkverschweißt wurden; und 15 FIG. 15 is a partial cross-sectional view of a stack comprising a pair of aluminum alloy workpieces after being molded using the in-mold 8th shown multi-function welding electrode on each side of the stack resistance welded together; and

16 ist eine partielle Querschnittsansicht eines Stapels, der ein Paar Stahlwerkstücke umfasst, nachdem sie unter Verwendung der in 8 gezeigten Multifunktions-Schweißelektrode auf jeder Seite des Stapels miteinander widerstandspunkverschweißt wurden. 16 FIG. 15 is a partial cross-sectional view of a stack comprising a pair of steel workpieces after being broken down using the in-mold 8th The multi-function welding electrodes shown on each side of the stack were resistance-point welded together.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die 1–3 zeigen allgemein einen Werkstückstapel 10, der ein Stahlwerkstück 12 und ein Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 umfasst, die in überlappender Weise zum Widerstandspunktschweißen an einer vorbestimmten Schweißstelle 16 mithilfe einer Schweißpistole 18 zusammengestellt sind. Das Stahlwerkstück 12 ist bevorzugt ein galvanisierter oder verzinkter kohlenstoffarmer Stahl. Es können selbstverständlich andere Arten von Stahlwerkstücken, unter anderem z. B. ein kohlenstoffarmer, blanker Stahl oder ein galvanisierter, moderner, hochfester unlegierter Stahl (AHSS, vom engl. advanced high strength steel), verwendet werden. Einige spezifische Arten von Stahl, die in dem Stahlwerkstück 12 verwendet werden können, umfassen „Interstitial-free”(IF)-Stahl, Dualphasen(DP)-Stahl, „Transformation-Induced Plasticity”(TRIP)-Stahl und pressgehärteten Stahl (PHS vom engl. press-hardened steel). Was das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 betrifft, so kann es eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung sein oder es kann mit Zink oder einer Konversionsbeschichtung beschichtet sein, um das Klebevermögen zu verbessern, falls erwünscht. Einige spezifische Aluminiumlegierungen, die in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 verwendet werden können, sind die Aluminium-Magnesium-Legierung 5754, die Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung 6022 und die Aluminium-Zink-Legierung 7003. Der Ausdruck „Werkstück” und seine Stahl- und Aluminiumvarianten werden in der vorliegenden Offenbarung weitläufig verwendet, um sich auf eine Metallblechlage, ein Gussteil, einen Strangguss oder irgendein anderes Teil zu beziehen, das widerstandspunktschweißbar ist, einschließlich jeglicher Oberflächenlagen oder -schichten, falls vorhanden.The 1 - 3 generally show a stack of workpieces 10 , which is a steel workpiece 12 and an aluminum alloy workpiece 14 in overlapping manner for resistance spot welding at a predetermined weld 16 using a welding gun 18 are compiled. The steel workpiece 12 is preferably a galvanized or galvanized low carbon steel. It can of course other types of steel workpieces, including z. For example, a low-carbon, bare steel or a galvanized, modern, high-strength unalloyed steel (AHSS) can be used. Some specific types of steel used in the steel workpiece 12 can be used include "interstitial-free" (IF) steel, dual-phase (DP) steel, "transformation-induced plasticity" (TRIP) steel and press-hardened steel (PHS). What the aluminum alloy workpiece 14 For example, it may be an aluminum-magnesium alloy, an aluminum-silicon alloy, an aluminum-magnesium-silicon alloy, or an aluminum-zinc alloy, or it may be coated with zinc or a conversion coating to increase its adhesiveness improve if desired. Some specific aluminum alloys used in the aluminum alloy workpiece 14 can be used are the aluminum-magnesium alloy 5754, the aluminum-magnesium-silicon alloy 6022 and the aluminum-zinc alloy 7003. The term "workpiece" and its steel and aluminum variants are widely used in the present disclosure, to refer to a sheet metal layer, casting, continuous casting, or any other part that is resistance point weldable, including any surface layers or layers, if any.

Wenn es zum Punktschweißen aufgestapelt ist, umfasst das Stahlwerkstück 12 eine Stoßfläche 20 und eine Elektroden-Kontaktfläche 22. Gleichermaßen umfasst das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 eine Stoßfläche 24 und eine Elektroden-Kontaktfläche 26. Die Stoßflächen 20, 24 der beiden Werkstücke 12, 14 stehen miteinander in Kontakt, um eine Stoß-Grenzfläche 28 an der Schweißstelle 16 vorzusehen. Die Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 weisen andererseits allgemein in entgegengesetzten Richtungen voneinander weg, um sie für ein Paar gegenüberliegender Punktschweißelektroden zugänglich zu machen. Jedes von dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 weist bevorzugt eine Dicke 120, 140 auf, die in einem Bereich von etwa 0,3 mm bis etwa 6,0 mm und stärker bevorzugt von etwa 0,5 mm bis etwa 4,0 mm zumindest an der Schweißstelle 16 liegt.When stacked for spot welding, the steel workpiece includes 12 an impact surface 20 and an electrode pad 22 , Likewise, the aluminum alloy workpiece comprises 14 an impact surface 24 and an electrode pad 26 , The abutment surfaces 20 . 24 of the two workpieces 12 . 14 are in contact with each other to create a shock interface 28 at the weld 16 provided. The electrode pads 22 . 26 of steel and aluminum alloy workpiece 12 . 14 On the other hand, they generally face away from each other in opposite directions to make them accessible to a pair of opposed spot welding electrodes. Each of the steel and aluminum alloy workpiece 12 . 14 preferably has a thickness 120 . 140 in the range of from about 0.3 mm to about 6.0 mm, and more preferably from about 0.5 mm to about 4.0 mm, at least at the weld 16 lies.

Die Schweißpistole 18 ist üblicherweise Teil eines größeren automatisierten Schweißablaufes und umfasst einen ersten Pistolenarm 30 und einen zweiten Pistolenarm 32, die mechanisch und elektrisch ausgestaltet sind, um wiederholt Punktschweißnähte gemäß einem definierten Schweißplan zu bilden. Der erste Pistolenarm 30 weist eine erste Elektrodenhalterung 34 auf, welche eine Stahl-Schweißelektrode 36 festhält, und der zweite Pistolenarm 32 weist eine zweite Elektrodenhalterung 38 auf, welche eine Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 festhält. Die Schweißpistolenarme 30, 32 werden während des Punktschweißens betrieben, um ihre jeweiligen Schweißelektroden 36, 40 gegen die in entgegengesetzte Richtungen weisenden Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 der überlappenden Stahl- und Aluminiumlegierungs-Werkstücke 12, 14 zu pressen. Die erste und die zweite Schweißelektrode 36, 40 werden in der Regel in diametraler Ausrichtung miteinander an der vorgesehenen Schweißstelle 16 gegen ihre jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 gepresst. The welding gun 18 is usually part of a larger automated welding process and includes a first gun arm 30 and a second gun arm 32 which are mechanically and electrically configured to repeatedly form spot welds according to a defined weld schedule. The first gun arm 30 has a first electrode holder 34 on which a steel welding electrode 36 holds, and the second gun arm 32 has a second electrode holder 38 on which an aluminum alloy welding electrode 40 holds. The welding gun arms 30 . 32 are operated during spot welding to their respective welding electrodes 36 . 40 against the oppositely facing electrode pads 22 . 26 the overlapping steel and aluminum alloy workpieces 12 . 14 to squeeze. The first and second welding electrodes 36 . 40 are usually in diametrical alignment with each other at the intended weld 16 against their respective electrode pads 22 . 26 pressed.

Die Stahl-Schweißelektrode 36 und die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 sind jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z. B. einer Kupferlegierung gebildet. Die beiden Schweißelektroden 36, 40, wie nachfolgend weiter erklärt, sind gebaut, um nach dem Aufhören des Durchganges von elektrischem Strom zwischen den Elektroden 36, 40 eine Aufstandsfläche an der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 bereitzustellen, die eine größere Oberfläche aufweist als eine Aufstandsfläche an der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12. Die Aluminiumlegierungs-Aufstandsfläche weist bevorzugt eine Oberfläche auf, die zu diesem Zeitpunkt um ein Verhältnis von etwa 1,5:1 bis etwa 16:1 und stärker bevorzugt von etwa 2:1 bis etwa 6:1 größer ist als eine Oberfläche der Stahl-Aufstandsfläche. Die Differenz in den Aufstandsflächengrößen hat eine höhere Stromdichte in dem Stahlwerkstück 12 als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 zur Folge.The steel welding electrode 36 and the aluminum alloy welding electrode 40 are each made of an electrically conductive material such. B. a copper alloy formed. The two welding electrodes 36 . 40 as further explained below, are built to cease the passage of electrical current between the electrodes 36 . 40 a footprint on the electrode pad 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 to provide a larger surface than a footprint on the electrode pad 22 of the steel workpiece 12 , The aluminum alloy footprint preferably has a surface which is greater than a surface area of the steel at a rate of from about 1.5: 1 to about 16: 1, and more preferably from about 2: 1 to about 6: 1 at this time. footprint. The difference in footprint sizes has a higher current density in the steel workpiece 12 as in the aluminum alloy workpiece 14 result.

Die Differenz in der Stromdichte zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 12, 14 konzentriert Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 12 verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14. Der Schweißstromplan kann gleichmäßig geregelt werden, falls erwünscht, um ein Stahl-Schweißschmelzbad innerhalb des Stahlwerkstückes 12 zusätzlich dazu zu initiieren, dass ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 und an der Stoß-Grenzfläche 28 initiiert wird. Der Vorgang des Konzentrierens von Wärme innerhalb einer kleineren Zone in dem Stahlwerkstück 12 – möglicherweise in dem Ausmaß zum Initiieren eines Stahl-Schweißschmelzbades – verändert die Temperaturgradienten, insbesondere die radialen Temperaturgradienten, um das Erstarrungsverhalten des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades, welches sich an der Stoß-Grenzfläche 28 befindet, zu ändern, sodass Fehler in der letztlich gebildeten Schweißverbindung an einen wünschenswerteren Ort gezwungen werden. In einigen Fällen, insbesondere wenn ein Stahl-Schweißbad in dem Stahlwerkstück 12 initiiert wird, können die Konzentration von Wärme in dem Stahlwerkstück und die resultierenden thermischen Gradienten Schweißfehler dazu treiben, sich an oder nahe dem Zentrum der Schweißverbindung an der Stoß-Grenzfläche 28 zusammenzuballen, was eine bessere Schweißverbindungs-Integrität und -Abschälfestigkeit fördert.The difference in current density between the steel and the aluminum alloy workpiece 12 . 14 concentrates heat within a smaller zone in the steel workpiece 12 compared with the aluminum alloy workpiece 14 , The weld stream schedule can be regulated evenly, if desired, around a steel weld pool within the steel workpiece 12 in addition to initiating an aluminum alloy weld pool within the aluminum alloy workpiece 14 and at the impact interface 28 is initiated. The act of concentrating heat within a smaller zone in the steel workpiece 12 Possibly to the extent of initiating a steel weld pool, the temperature gradients, particularly the radial temperature gradients, change the solidification behavior of the aluminum alloy weld pool located at the impact interface 28 is to change, so that errors in the ultimately formed welded joint are forced to a more desirable location. In some cases, especially if a steel weld pool in the steel workpiece 12 Initially, the concentration of heat in the steel workpiece and the resulting thermal gradients can drive weld failures at or near the center of the weld joint at the impact interface 28 aggregate, which promotes better weld joint integrity and peel strength.

Die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 umfasst einen Körper 42 und eine Schweißfläche 44. Der Körper 42, wie am besten in 5 gezeigt, definiert eine zugängliche hohle Ausnehmung 46 an einem Ende 48 zum Einsetzen der und Befestigen mit der zweiten Elektrodenhalterung 38 in bekannter Art und Weise.The aluminum alloy welding electrode 40 includes a body 42 and a welding area 44 , The body 42 how best in 5 shown defines an accessible hollow recess 46 at one end 48 for inserting and securing with the second electrode holder 38 in a known manner.

Eine Übergangsnase 50 kann sich von einem entgegengesetzten Ende 52 des Körpers 42 nach oben bis zu der Schweißfläche 44 erstrecken, muss es aber nicht, da sich die Schweißfläche 44 direkt von dem Körper 42 weg erstrecken kann, um das bereitzustellen, was man üblicherweise als eine „Vollflächen-Elektrode” bezeichnet. Der Körper 42 weist bevorzugt eine zylindrische Form mit einem Durchmesser 420 auf, der in einem Bereich von etwa 12 mm bis etwa 22 mm oder enger von etwa 16 mm bis etwa 20 mm liegt. Die Übergangsnase 50 ist bevorzugt kegelstumpfförmig, wenngleich andere alternative Formen wie z. B. eine Kugel- und Ellipsenform ebenso geeignet sein können.A transition nose 50 may be from an opposite end 52 of the body 42 up to the welding surface 44 but it does not have to stretch as the weld area expands 44 directly from the body 42 may extend to provide what is commonly referred to as a "full-area electrode". The body 42 preferably has a cylindrical shape with a diameter 420 which ranges from about 12 mm to about 22 mm or narrower from about 16 mm to about 20 mm. The transition nose 50 is preferably frusto-conical, although other alternative forms such. B. a spherical and elliptical shape may also be suitable.

Die Schweißfläche 44 ist der Abschnitt der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40, der während des Punktschweißens einen Kontakt mit der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 26 herstellt und in diese eingedrückt wird, um eine Aufstandsfläche herzustellen. Die Schweißfläche 44 weist einen Durchmesser 440 und einen Krümmungsradius auf, die zusammen hinreichend sind, um ein übermäßiges Eindrücken in das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad und die erweichte Werkstückregion, welche das Schweißbad umgibt, zu verhindern. Ein übermäßiges Eindrücken ist in der Regel als ein Eindrücken definiert, das 50% oder mehr der Dicke 140 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 entspricht. Solch ein Eindrücken kann vermieden werden, indem z. B. die Schweißfläche 44 mit einem Durchmesser 440 von etwa 6 mm bis etwa 20 mm und einem Krümmungsradius von etwa 15 mm bis eben versehen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser 440 der Schweißfläche 44 etwa 8 mm bis etwa 12 mm, und der Krümmungsradius beträgt etwa 50 mm bis etwa 250 mm. Falls erwünscht, kann die Schweißfläche 44 außerdem strukturiert sein oder Oberflächenmerkmale wie jene aufweisen, die in den U.S.-Patenten Nr. 6 861 609 , 8 222 560 , 8 274 010 , 8 436 269 und 8 525 066 und dem U.S.-Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2009/025 5 908 beschrieben sind.The welding surface 44 is the section of the aluminum alloy welding electrode 40 which makes contact with the electrode pad during spot welding 26 Aluminum Alloy Workpiece 26 is produced and pressed into this to produce a footprint. The welding surface 44 has a diameter 440 and a radius of curvature that are sufficient together to prevent excessive indentation in the aluminum alloy weld pool and the softened workpiece region surrounding the weld pool. Excessive indentation is usually defined as an indentation that is 50% or more of the thickness 140 Aluminum Alloy Workpiece 14 equivalent. Such impressions can be avoided by, for. B. the welding surface 44 with a diameter 440 from about 6 mm to about 20 mm and a radius of curvature of about 15 mm until flat. In a preferred embodiment, the diameter is 440 the welding surface 44 about 8 mm to about 12 mm, and the radius of curvature is about 50 mm to about 250 mm. If desired, the welding surface 44 also be textured or have surface features such as those used in the U.S. Pat. Nos. 6,861,609 . 8,222,560 . 8,274,010 . 8,436,269 and 8,525,066 and the U.S. Patent Publication No. 2009/0255908 are described.

Die Stahl-Schweißelektrode 36 weist die gleichen Grundkomponenten auf wie die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 – nämlich einen Körper 54, der eine zugängliche hohle Ausnehmung 56 an einem Ende 58 definiert, eine Schweißfläche 60 und eine optionale Übergangsnase 62, die sich von dem Körper 54 an einem entgegengesetzten Ende 64 nach oben bis zu der Schweißfläche 60 erstreckt, wie in 4 gezeigt. Der Körper 54 weist bevorzugt eine zylindrische Form mit einem Durchmesser 540 auf, der in einem Bereich von etwa 12 mm bis etwa 22 mm oder enger von etwa 16 mm bis etwa 20 mm liegt. Die Übergangsnase 62 ist bevorzugt kugelförmig, wenngleich andere alternative Formen wie z. B. elliptisch und kegelstumpfförmig ebenso geeignet sein können. Während einige oder alle Abschnitte der Aluminiumlegierungs- und der Stahl-Schweißelektrode 40, 36 die gleichen sein können – aber nicht unbedingt müssen – ist es die Wechselwirkung ihrer Schweißflächen 44, 60 mit ihren jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 26, 22, was die Stromdichte innerhalb der Werkstücke 12, 14 unterschiedlich macht.The steel welding electrode 36 has the same basic components as the aluminum alloy welding electrode 40 - namely a body 54 , the one accessible hollow recess 56 at one end 58 defines a welding surface 60 and an optional transition nose 62 that are different from the body 54 at an opposite end 64 up to the welding surface 60 extends, as in 4 shown. The body 54 preferably has a cylindrical shape with a diameter 540 which ranges from about 12 mm to about 22 mm or narrower from about 16 mm to about 20 mm. The transition nose 62 is preferably spherical, although other alternative forms such. B. elliptical and frustoconical may also be suitable. While some or all sections of the aluminum alloy and steel welding electrode 40 . 36 they may be the same - but not necessarily - it is the interaction of their perspiration surfaces 44 . 60 with their respective electrode pads 26 . 22 What the current density within the workpieces 12 . 14 makes different.

Die Schweißfläche 60 ist wie zuvor der Abschnitt der Stahl-Schweißelektrode 36, der während des Punktschweißens einen Kontakt mit der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 herstellt und in diese eingedrückt wird, um eine Aufstandsfläche herzustellen. Hier ist die Schweißfläche 60 so aufgebaut, dass ihre Aufstandsfläche (d. h. die, welche an der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 hergestellt ist) kleiner ist als die durch die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 an der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 hergestellte Aufstandsfläche. In der Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, weist die Schweißfläche 60 der Stahl-Schweißelektrode 36 einen Durchmesser 600 auf, der in einem Bereich von etwa 4 mm bis etwa 16 mm und stärker bevorzugt von etwa 5 mm bis etwa 8 mm liegt, und ist eben oder weist einen Krümmungsradius auf, der größer ist als etwa 20 mm.The welding surface 60 is as before the section of the steel welding electrode 36 which makes contact with the electrode pad during spot welding 22 of the steel workpiece 12 is produced and pressed into this to produce a footprint. Here is the welding area 60 designed so that their footprint (ie, which at the electrode contact surface 22 of the steel workpiece 12 made) is smaller than that through the welding surface 44 the aluminum alloy welding electrode 40 at the electrode contact surface 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 prepared footprint. In the embodiment which is in 4 is shown has the welding surface 60 the steel welding electrode 36 a diameter 600 which is in a range from about 4 mm to about 16 mm, and more preferably from about 5 mm to about 8 mm, and is flat or has a radius of curvature greater than about 20 mm.

Die 1–3 und 6–7 illustrieren einen Punktschweißprozess, in dem der Stapel 10 an der Schweißstelle 16 unter Verwendung der oben beschriebenen Schweißelektroden 36, 40 punktgeschweißt wird. Die Schweißpistole 18 (teilweise gezeigt) ist ausgestaltet, um den elektrischen Strom und den Kontaktdruck bereitzustellen, die zum Punktschweißen des Stahlwerkstückes 12 an das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 notwendig sind. Die Pistolenarme 30, 32 der Schweißpistole 18 können feststehend (Sockel-Schweißgerät) oder robotertechnisch bewegbar sein, wie es auf dem technischen Gebiet üblich ist, und werden während des Punktschweißens betrieben, um die Schweißelektroden 36, 40 an der Schweißstelle 16 mit den in entgegengesetzte Richtungen weisenden Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 in diametraler Ausrichtung miteinander in Kontakt zu bringen und dagegen zu pressen. Die durch die Pistolenarme 30, 32 festgelegte Einspannkraft hilft dabei, einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Schweißelektroden 36, 40 und ihren jeweiligen Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 herzustellen.The 1 - 3 and 6 - 7 illustrate a spot welding process in which the stack 10 at the weld 16 using the welding electrodes described above 36 . 40 is spot-welded. The welding gun 18 (partially shown) is designed to provide the electrical current and contact pressure needed to spot-weld the steel workpiece 12 to the aluminum alloy workpiece 14 necessary. The pistol arms 30 . 32 the welding gun 18 may be fixed (pedestal welder) or robotically movable, as is conventional in the art, and operated during spot welding, around the welding electrodes 36 . 40 at the weld 16 with the electrode contact surfaces facing in opposite directions 22 . 26 of steel and aluminum alloy workpiece 12 . 14 in diametral contact with each other and to press against it. The through the pistol arms 30 . 32 fixed clamping force helps to ensure good mechanical and electrical contact between the welding electrodes 36 . 40 and their respective electrode pads 22 . 26 manufacture.

Der Widerstandspunktschweißprozess beginnt damit, dass der Stapel 10 zwischen der Stahl- und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 36, 40 angeordnet wird, sodass die Schweißstelle 16 allgemein mit den gegenüberliegenden Schweißflächen 60, 44 ausgerichtet ist. Der Werkstückstapel 10 kann an solch einen Ort gebracht werden, wie es oft der Fall ist, wenn die Pistolenarme 30, 32 Teil eines feststehenden Sockel-Schweißgeräts sind, oder die Pistolenarme 30, 32 können robotertechnisch bewegt werden, um die Elektroden 36, 40 in Bezug auf die Schweißstelle 16 anzuordnen. Sobald der Stapel 10 korrekt angeordnet ist, werden der erste und der zweite Pistolenarm 30, 32 zusammengeführt, um die Schweißflächen 60, 44 der Stahl-Schweißelektrode 36 und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 an der Schweißstelle 16 mit den in entgegengesetzte Richtungen weisenden Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 in Kontakt zu bringen und dagegen zu pressen, wie in 6 gezeigt ist. Der durch die Schweißelektroden 36, 40 übertragene Kontaktdruck bewirkt, dass die Schweißfläche 60 der Stahl-Schweißelektrode 36 beginnt, eine Aufstandsfläche 66 an der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 zu bilden, und gleichermaßen die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 beginnt, eine Aufstandsfläche 68 an der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 zu bilden.The resistance spot welding process starts with the stack 10 between the steel and the aluminum alloy welding electrode 36 . 40 is arranged so that the weld 16 generally with the opposite welding surfaces 60 . 44 is aligned. The workpiece stack 10 can be brought to such a location as is often the case when the pistol arms 30 . 32 Are part of a fixed pedestal welder, or the gun arms 30 . 32 can be robotically moved to the electrodes 36 . 40 in relation to the weld 16 to arrange. Once the pile 10 correctly arranged, become the first and the second gun arm 30 . 32 merged to the welding surfaces 60 . 44 the steel welding electrode 36 and the aluminum alloy welding electrode 40 at the weld 16 with the electrode contact surfaces facing in opposite directions 22 . 26 of steel and aluminum alloy workpiece 12 . 14 to contact and press against, as in 6 is shown. The through the welding electrodes 36 . 40 transmitted contact pressure causes the welding surface 60 the steel welding electrode 36 starts a footprint 66 at the electrode contact surface 22 of the steel workpiece 12 to form, and equally the welding surface 44 the aluminum alloy welding electrode 40 starts a footprint 68 at the electrode contact surface 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 to build.

Dann wird gemäß einem entsprechenden Schweißplan ein elektrischer Strom – in der Regel ein Gleichstrom zwischen etwa 5 kA und etwa 50 kA – an der Schweißstelle 16 zwischen den Schweißflächen 60, 44 der Stahl- und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 36, 40 und durch den Stapel 10 hindurch geleitet. Der Widerstand gegenüber dem Fluss des elektrischen Stromes durch die Werkstücke 12, 14 hindurch bewirkt anfänglich, dass sich das Stahlwerkstück 12 schneller erwärmt als das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14, da es einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist. Dieses Wärme-Ungleichgewicht bewirkt, dass ein Temperaturgradient von dem Stahlwerkstück 12 zu dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 entsteht. Der Fluss von Wärme den Temperaturgradienten hinunter in Richtung der wassergekühlten Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 in Verbindung mit der erzeugten Wärme, die von dem Widerstand gegenüber dem Fluss des elektrischen Stromes über die Stoß-Grenzfläche 28 hinweg resultiert, bringt schließlich das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 zum Schmelzen und bildet ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 70, das die Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12 benetzt.Then, according to a corresponding welding schedule, an electric current - usually a DC between about 5 kA and about 50 kA - at the weld 16 between the welding surfaces 60 . 44 the steel and aluminum alloy welding electrode 36 . 40 and through the pile 10 passed through. The resistance to the flow of electric current through the workpieces 12 . 14 initially causes the steel workpiece 12 warmed faster than the aluminum alloy workpiece 14 because it has a higher thermal and electrical resistance. This heat imbalance causes a temperature gradient from the steel workpiece 12 to the aluminum alloy workpiece 14 arises. The flow of heat down the temperature gradient towards the water-cooled aluminum alloy welding electrode 40 in conjunction with the heat generated by the resistance to the flow of electric current across the impact interface 28 results finally brings the aluminum alloy workpiece 14 to melt and form an aluminum alloy weld pool 70 that the abutting surface 20 of the steel workpiece 12 wetted.

Während dieser Zeit, in der elektrischer Strom geleitet wird, die irgendwo zwischen etwa 40 Millisekunden und etwa 1000 Millisekunden dauern kann, wächst die Stahl-Aufstandsfläche 66 sehr wenig, während die Aluminiumlegierungs-Aufstandsfläche 68 deutlich mehr wächst, da die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 in das erweichte Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 eindrückt. Da in dieser Ausführungsform die Schweißfläche 44 der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 größer ist als die Schweißfläche 60 der Stahl-Schweißelektrode 36, weist zu dem Zeitpunkt, zu dem der Durchgang des elektrischen Stromes aufhört, die Aluminiumlegierungs-Aufstandsfläche 68 eine größere Oberfläche auf als die Stahl-Aufstandsfläche 66. Diese Differenz in den Aufstandsflächengrößen hat zur Folge, dass während des elektrischen Stromflusses innerhalb des Stahlwerkstückes 12 eine höhere Stromdichte vorhanden ist als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14. Die Erhöhung der Stromdichte in dem Stahlwerkstück 12 während des elektrischen Stromflusses hat eine konzentriertere Wärmezone innerhalb des Stahlwerkstückes 12 zur Folge, welche die Integrität und die Abschälfestigkeit der fertigen Schweißverbindung verbessern kann, wie nachfolgend in näherem Detail erörtert wird. Die konzentrierte Wärmezone kann – muss aber nicht unbedingt – ein Stahl-Schweißschmelzbad 72 innerhalb des Stahlwerkstückes 12 initiieren.During this time, when electrical power is passed, which can take anywhere from about 40 milliseconds to about 1000 milliseconds, the steel footprint grows 66 very little while the aluminum alloy footprint 68 significantly more grows, as the weld area 44 the aluminum alloy welding electrode 40 into the softened aluminum alloy workpiece 14 presses. As in this embodiment, the welding surface 44 the aluminum alloy welding electrode 40 larger than the welding surface 60 the steel welding electrode 36 , At the time when the passage of electrical current ceases, the aluminum alloy footprint 68 a larger surface than the steel footprint 66 , This difference in footprint sizes results in the flow of electrical current within the steel workpiece 12 a higher current density is present than in the aluminum alloy workpiece 14 , The increase in the current density in the steel workpiece 12 during the electric current flow has a more concentrated heat zone within the steel workpiece 12 as a result, which may improve the integrity and peel strength of the finished weld joint, as discussed in more detail below. The concentrated heat zone can - but need not necessarily - be a molten steel molten bath 72 within the steel workpiece 12 initiate.

Nach dem Aufhören des elektrischen Stromes erstarrt das Aluminiumlegierungs-Schweißbad 70, um eine Schweißverbindung 74 an der Stoß-Grenzfläche 28 zu bilden, wie in 7 allgemein illustriert ist. Das Stahl-Schweißbad 72, falls es gebildet wird, erstarrt zu diesem Zeitpunkt ebenso zu einer Stahl-Schweißlinse 76 innerhalb des Stahlwerkstückes 12, wenngleich es sich bevorzugt nicht bis zu entweder der Stoßfläche 20 oder der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Werkstückes 12 erstreckt. Die Schweißverbindung 74 umfasst eine Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 78 und in der Regel eine intermetallische Fe-Al-Schicht 80. Die Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 78 erstreckt sich bis zu einer Distanz in das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 hinein, die oft in einem Bereich von etwa 20% bis etwa 80% der Dicke 140 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 liegt, wenngleich sich die Schweißlinse 78 gelegentlich die ganze Strecke bis zu der Elektroden-Kontaktfläche 26 (d. h. 100% oder vollständige Durchdringung) erstrecken kann. Die intermetallische Fe-Al-Schicht 80 befindet sich zwischen der Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 78 und dem Stahlwerkstück 12 an der Stoß-Grenzfläche 28. Diese Schicht wird allgemein infolge einer Reaktion zwischen dem Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 70 und dem Stahlwerkstück 12 während eines Stromflusses und für eine kurze Dauer nach dem Stromfluss gebildet, wenn das Stahlwerkstück noch heiß ist. Sie kann FeAl₃, Fe₂Al₅ und andere Verbindungen umfassen. Wenn in der Richtung des elektrischen Stromflusses gemessen wird, ist die intermetallische Fe-Al-Schicht 80 typischerweise etwa 1 μm bis etwa 5 μm dick.After stopping the electric current, the aluminum alloy weld pool solidifies 70 to a welded joint 74 at the impact interface 28 to form, as in 7 generally illustrated. The steel weld pool 72 if it is formed, solidifies at this time also to a steel weld nugget 76 within the steel workpiece 12 although it preferably does not extend to either the impact surface 20 or the electrode pad 22 of the workpiece 12 extends. The welded joint 74 includes an aluminum alloy weld nugget 78 and usually an Fe-Al intermetallic layer 80 , The aluminum alloy weld nugget 78 extends to a distance in the aluminum alloy workpiece 14 which often ranges from about 20% to about 80% of the thickness 140 Aluminum Alloy Workpiece 14 lies, although the weld nugget 78 occasionally all the way to the electrode pad 26 (ie, 100% or full penetration). The intermetallic Fe-Al layer 80 is located between the aluminum alloy weld nugget 78 and the steel workpiece 12 at the impact interface 28 , This layer generally becomes due to a reaction between the aluminum alloy weld pool 70 and the steel workpiece 12 during a current flow and for a short time after the current flow is formed when the steel workpiece is still hot. It may include FeAl ₃ , Fe ₂ Al ₅ and other compounds. When measured in the direction of electric current flow, the Fe-Al intermetallic layer is 80 typically about 1 μm to about 5 μm thick.

Die Ausbildung einer konzentrierten Wärmezone in dem Stahlwerkstück 12 – ob durch Initiieren und zum Wachsen bringen des Stahl-Schweißschmelzbades 72 oder nicht – verbessert die Festigkeit und die Integrität der Schweißverbindung 74 auf zumindest zweierlei Art und Weise. Erstens ändert die konzentrierte Wärme die Temperaturverteilung durch die Schweißstelle 16 hindurch, indem sie radiale Temperaturgradienten verändert und erzeugt, die wiederum bewirken, dass das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 70 von seinem äußeren Umfang in Richtung seines Zentrums erstarrt. Dieses Erstarrungsverhalten treibt Schweißfehler in Richtung des Zentrums der Schweißverbindung 74, wo sie weniger dafür anfällig sind, ihre mechanischen Eigenschaften zu schwächen. Zweitens neigt in jenen Fällen, in denen das Stahl-Schweißbad 72 initiiert und zum Wachsen gebracht wird, die Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12 dazu, sich von der Elektroden-Kontaktfläche 22 weg zu verdrehen. Eine derartige Verdrehung kann das Stahlwerkstück 12 an der Schweißstelle 16 um bis zu 50% dicker machen. Das Vergrößern der Dicke des Stahlwerkstückes 12 auf diese Weise hilft dabei, das Zentrum des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades 70 heiß zu halten, sodass es zuletzt abkühlt und erstarrt, was die radialen Temperaturgradienten weiter erhöhen und Schweißfehler dazu treiben kann, sich an oder nahe dem Zentrum der Schweißverbindung 74 zusammenzuballen. Das Ausbuchten der Stoßfläche 20 des Stahlwerkstückes 12 kann auch eine Rissbildung entlang der Stoß-Grenzfläche 28 stören, indem es Risse entlang eines nicht bevorzugten Weges in die Schweißverbindung 74 hinein ablenkt.The formation of a concentrated heat zone in the steel workpiece 12 - whether by initiating and growing the steel welding bath 72 or not - improves the strength and integrity of the welded joint 74 in at least two ways. First, the concentrated heat changes the temperature distribution through the weld 16 by changing and generating radial temperature gradients, which in turn cause the aluminum alloy weld pool 70 froze from its outer periphery towards its center. This solidification behavior drives welding defects in the direction of the center of the welded joint 74 where they are less prone to weaken their mechanical properties. Second, in those cases where the steel weld pool tends 72 initiated and brought to growth, the impact surface 20 of the steel workpiece 12 to get away from the electrode pad 22 to turn away. Such a rotation may be the steel workpiece 12 at the weld 16 make up to 50% thicker. Increasing the thickness of the steel workpiece 12 this helps in the center of the aluminum alloy weld pool 70 keeping it hot so that it cools and solidifies last, which can further increase the radial temperature gradients and cause weld failure, at or near the center of the weld joint 74 agglomerate. The bulging of the impact surface 20 of the steel workpiece 12 can also crack along the impact interface 28 Disturb by breaking cracks along a non-preferred path in the weld joint 74 distracts into it.

Die 12–14 zeigen ein Beispiel des Einflusses, den das Initiieren und zum Wachsen bringen des Stahl-Schweißbades 72 auf die zwischen dem Stahlwerkstück 12 und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 gebildete Schweißverbindung 74 haben kann. Beginnend mit 14 zeigt diese die Mikrostruktur einer Schweißverbindung 82, die durch einen herkömmlichen Widerstandspunktschweißprozess gebildet wurde, in dem keine konzentrierte Wärmezone in dem Stahlwerkstück (dem unteren Substrat) erzeugt wurde. Hier in diesem Beispiel wurden Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 84 entdeckt. Diese Fehler D können unter anderem Schrumpfporen, Gasporosität, Oxidrückstandsbildung und Mikrorissbildung umfassen. Es wurde festgestellt, dass die Fehler D, wenn sie vorhanden und entlang der Stoß-Grenzfläche 84 akkumuliert sind, die Abschälfestigkeit der Schweißverbindung 82 herabsetzen können und allgemeiner die Gesamtintegrität der Schweißverbindung 82 negativ beeinflussen und schwächen können. Überdies kann/können zusätzlich zu den Fehlern D eine oder mehrere intermetallische Al-Fe-Schichten (zu klein, um gezeigt zu werden) zwischen dem Stahl- (dem unteren) und dem Aluminiumlegierungs(dem oberen)-Werkstück 12, 14 und an und entlang der Stoß-Grenzfläche 84 wachsen.The 12 - 14 show an example of the influence that initiate and grow the steel welding pool 72 on the between the steel workpiece 12 and the aluminum alloy workpiece 14 formed weld joint 74 may have. Starting with 14 this shows the microstructure of a welded joint 82 by a conventional Resistance spot welding process was formed in which no concentrated heat zone in the steel workpiece (the lower substrate) was generated. Here in this example, errors D were observed at and along the impact interface 84 discovered. These defects D may include, but are not limited to, shrink pore, gas porosity, oxide residue formation, and microcracking. It was found that the error D, when present and along the impact interface 84 accumulated, the peel strength of the welded joint 82 and more generally the overall integrity of the welded joint 82 can negatively influence and weaken. Moreover, in addition to the defects D, one or more Al-Fe intermetallic layers (too small to be shown) may be interposed between the steel (lower) and aluminum alloy (upper) workpiece 12 . 14 and at and along the impact interface 84 to grow.

Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, dass die Akkumulation der Fehler D an und entlang der Stoß-Grenzfläche 84 zumindest teilweise auf das Erstarrungsverhalten des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades zurückzuführen ist. Es kann sich insbesondere aufgrund der ungleichen physikalischen Eigenschaften der zwei Materialien – und zwar des viel höheren thermischen und elektrischen Widerstandes des Stahls – ein Wärme-Ungleichgewicht zwischen dem viel heißeren Stahlwerkstück (dem unteren Substrat) und dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 (dem oberen Substrat) entwickeln. Somit wirkt das Stahlwerkstück als eine Wärmequelle, während das Aluminiumlegierungs-Werkstück als ein Wärmeleiter wirkt, der einen starken Temperaturgradienten in der vertikalen Richtung erzeugt, welcher bewirkt, dass das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad von der Region nahe bei der kühleren (z. B. wassergekühlten) Schweißelektrode in Kontakt mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück in Richtung der Stoß-Grenzfläche 84 abkühlt und erstarrt. Der Weg und die Richtung der Erstarrungsfront sind in 14 allgemein durch gestrichelte Pfeile P dargestellt, und eine Grenze der Schweißverbindung 82 ist allgemein durch Strichlinien B dargestellt. Wenn die Erstarrungsfront entlang des Weges P fortschreitet, werden die Fehler D in Richtung der Stoß-Grenzfläche 84 getrieben und können entlang der Stoß-Grenzfläche 84 verteilt enden, wie gezeigt ist. Die schräge Grenze B ist das Ergebnis der Erstarrung in Richtung der Stoß-Grenzfläche 84.Without being bound by theory, it is believed that the accumulation of the errors D at and along the impact interface 84 at least partly due to the solidification behavior of the aluminum alloy weld pool. In particular, due to the unequal physical properties of the two materials - the much higher thermal and electrical resistance of the steel - there may be a heat imbalance between the much hotter steel workpiece (the lower substrate) and the aluminum alloy workpiece 14 (the upper substrate). Thus, the steel workpiece acts as a heat source, while the aluminum alloy workpiece acts as a heat conductor that produces a high temperature gradient in the vertical direction that causes the aluminum alloy weld pool to close to the region near the cooler (eg, water cooled). Welding electrode in contact with the aluminum alloy workpiece in the direction of the impact interface 84 cools and solidifies. The way and the direction of the solidification front are in 14 generally indicated by dashed arrows P, and a boundary of the welded joint 82 is shown generally by dashed lines B. As the solidification front progresses along the path P, the errors D become toward the impact interface 84 driven and can along the shock interface 84 distributed as shown. The oblique boundary B is the result of solidification in the direction of the impact interface 84 ,

Die 12–13 zeigen die Mikrostruktur einer Schweißverbindung 86, die durch einen Widerstandspunktschweißprozess gebildet wurde, in dem die Stromdichte in dem Stahlwerkstück (dem unteren Substrat) höher war, sodass das Stahl-Schweißschmelzbad innerhalb des Werkstückes initiiert und zum Wachsen gebracht wurde. Hier geht man davon aus, dass die Initiierung und das Wachstum des Stahl-Schweißschmelzbades durch die zusätzliche, innerhalb des Stahlwerkstückes erzeugte Wärme verursacht wurden, indem der Strom in einer kleineren Zone konzentriert wurde als es sonst der Fall gewesen wäre. Da die Wärme an einer lokal begrenzten Region innerhalb des Stahlwerkstückes (dem unteren Substrat) konzentriert wurde, werden an der Schweißstelle mehr Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr und größere radiale Temperaturgradienten bereitgestellt. Insbesondere kann Wärme von dem Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad seitlich in benachbarte kältere Abschnitte des Aluminiumlegierungs-Werkstückes abgeführt werden. Wärme von dem Stahl-Schweißschmelzbad kann auch nach oben in das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad hinein und dann durch das Aluminiumlegierungs-Werkstück hindurch wandern, wenn es abkühlt und zu der Stahl-Schweißlinse 88 (13) erstarrt, was dabei hilft, das Zentrum des Aluminiumlegierungs-Schweißbades über längere Zeit bei erhöhten Temperaturen zu halten.The 12 - 13 show the microstructure of a welded joint 86 formed by a resistance spot welding process in which the current density in the steel workpiece (the lower substrate) was higher so that the molten steel molten bath inside the workpiece was initiated and made to grow. Here, it is believed that the initiation and growth of the steel weld pool was caused by the additional heat generated within the steel workpiece by concentrating the stream in a smaller area than would otherwise have been the case. Because the heat has been concentrated at a localized region within the steel workpiece (the lower substrate), more heat removal capabilities and larger radial temperature gradients are provided at the weld. In particular, heat from the aluminum alloy weld pool may be dissipated laterally into adjacent colder portions of the aluminum alloy workpiece. Heat from the steel weld pool may also migrate up into the aluminum alloy weld pool and then through the aluminum alloy workpiece as it cools and to the steel weld nugget 88 ( 13 ), which helps keep the center of the aluminum alloy weld pool at elevated temperatures for a long time.

Die veränderten Temperaturgradienten an der Schweißstelle ändern die Kühlwirkung des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades, wenn es erstarrt, um zu der Schweißverbindung 86 innerhalb des Aluminiumlegierungs-Werkstückes (des oberen Substrats) und an der Stoß-Grenzfläche 90 erstarrt. Anstatt dass die Erstarrungsfront in Richtung der Stoß-Grenzfläche 90 fortschreitet, wie in 14 gezeigt, kühlt das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad radial ab und erstarrt von seinem äußeren Umfang in Richtung seines Zentrums. Der Weg und die Richtung der Erstarrungsfront sind in 12 allgemein durch gestrichelte Pfeile P dargestellt, und eine Grenze der Schweißverbindung 86 ist durch Strichlinien B dargestellt. Der Weg P zeigt in Richtung der zentralen Region und die Grenze B ist infolge des veränderten Erstarrungsweges (verglichen mit der in 14 gezeigten) orthogonaler bezüglich der Stoß-Grenzfläche 90. Das Erstarren des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades auf diese Weise neigt dazu, die Fehler D in Richtung des Zentrums der Fügestelle 86 zu drücken, wie gezeigt. Die in dem Stahlwerkstück (dem unteren Substrat) gebildete Stahl-Schweißlinse 88 ist am besten in 13 gezeigt (in der das fotografierte Material geätzt wurde, um die Stahl-Schweißlinse zu zeigen).The altered temperature gradients at the weld change the cooling effect of the aluminum alloy weld pool when it solidifies to weld 86 within the aluminum alloy workpiece (upper substrate) and at the impact interface 90 stiffens. Instead of the solidification front towards the impact interface 90 progresses, as in 14 As shown, the aluminum alloy weld pool cools radially and solidifies from its outer periphery towards its center. The way and the direction of the solidification front are in 12 generally indicated by dashed arrows P, and a boundary of the welded joint 86 is shown by dashed lines B. The path P points towards the central region and the boundary B is due to the changed solidification path (compared with the in 14 shown) orthogonal to the impact interface 90 , The solidification of the aluminum alloy weld pool in this way tends to cause the defects D toward the center of the joint 86 to press as shown. The steel weld nugget formed in the steel workpiece (the lower substrate) 88 is best in 13 (in which the photographed material was etched to show the steel weld nugget).

Es ist zu sehen, dass das Initiieren und das Wachstum des Stahl-Schweißschmelzbades die Stoßfläche des Stahlwerkstückes (des unteren Substrats) nach außen in das Aluminiumlegierungs-Werkstück (das obere Substrat) hinein gedrückt hat. Das Stahlwerkstück ist somit an der Schweißstelle dicker geworden. Der dickere Abschnitt des Stahlwerkstückes stellt eine größere, thermisch wirksame Hochtemperatur-Masse an dem Zentrum des Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbades bereit, die dabei hilft, das Zentrum des Aluminiumlegierungs-Schweißbades heiß zu halten, sodass es zuletzt erstarrt. Infolgedessen wurden die Schweißfehler D in diesem Beispiel nicht nur zu dem Zentrum der Schweißverbindung getrieben, sondern haben sich zusätzlich an dem Zentrum der Schweißverbindung 86 benachbart zu der Stoß-Grenzfläche 90 gesammelt. Das Platzieren der Fehler an dieser Stelle ist für eine gute Abschälfestigkeit und Fügestellen-Integrität förderlicher, als wenn die Fehler entlang der Stoß-Grenzfläche 90 verstreut sind, wie in 14 gezeigt ist.It can be seen that the initiation and growth of the steel weld pool has forced the abutting surface of the steel workpiece (lower substrate) outwardly into the aluminum alloy workpiece (the upper substrate). The steel workpiece has thus become thicker at the weld. The thicker section of the steel workpiece provides a larger, high temperature, thermally effective mass at the center of the aluminum alloy weld pool which helping to keep the center of the aluminum alloy weld pool hot so that it solidifies last. As a result, the welding defects D in this example have not only been driven to the center of the welded joint, but have additionally been at the center of the welded joint 86 adjacent to the impact interface 90 collected. Placing the defects at this point is more conducive to good peel strength and joint integrity than if the defects were along the impact interface 90 are scattered, as in 14 is shown.

Nunmehr erneut Bezug nehmend auf die 6–7 werden die Stahl- und die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 36, 40 von ihren Einspannpositionen zurückgezogen, bald nachdem der Durchgang des elektrischen Stromes zwischen den Schweißelektroden 36, 40 aufgehört hat, und lassen Aufstandsflächen 66, 68 mit einer asymmetrischen Oberfläche auf den Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminium-Werkstückes 12, 14 zurück. Der Stapel 10 wird dann erneut zwischen der Stahl- und der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 36, 40 an einer anderen Schweißstelle 16 angeordnet oder wird wegbewegt, sodass ein anderer Stapel 10 zum Punktschweißen angeordnet werden kann. Dann werden weitere Punktschweißnähte in der gleichen Art und Weise gebildet.Referring again to the 6 - 7 become the steel and the aluminum alloy welding electrode 36 . 40 withdrawn from their clamping positions soon after the passage of electrical current between the welding electrodes 36 . 40 stopped and leave footprints 66 . 68 with an asymmetric surface on the electrode pads 22 . 26 of steel and aluminum workpiece 12 . 14 back. The stack 10 then again between the steel and the aluminum alloy welding electrode 36 . 40 at another weld 16 is placed or moved away so that another pile 10 can be arranged for spot welding. Then, further spot welds are formed in the same manner.

Die 8–9 illustrieren einen anderen Punktschweißprozess, in dem der Stapel 10 an der Schweißstelle 16 punktgeschweißt wird, um grundsätzlich die gleichen Wirkungen wie zuvor zu erzielen, aber in dieser Ausführungsform werden ähnlich gebaute Multifunktions-Schweißelektroden 104 auf jeder Seite des Stapels 10 anstelle der in den 4 und 5 gezeigten Schweißelektroden 36, 40 verwendet. Wie in 8 gezeigt, weist jede der Schweißelektroden 104 die gleichen Grundkomponenten auf wie die in 5 gezeigte Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40, mit Ausnahme eines wesentlichen Unterschiedes – und zwar umfasst jede Schweißelektrode 104 eine Schweißfläche 106 und ein Plateau 108, das um eine zentrale Achse 110 der Schweißfläche 106 herum ansteigt. Die Schweißfläche 106 weist einen Durchmesser 1060 von etwa 6 mm bis 12 mm und einen Krümmungsradius von etwa 20 mm bis etwa 100 mm auf. Das Plateau 108 weist eine Plateaufläche 112 auf, die von der Schweißfläche 106 um etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm zwangsverschoben ist. Die Plateaufläche 112 weist einen Durchmesser 1120 von etwa 3 mm bis etwa 7 mm auf und ist flacher als die Schweißfläche 106 – die Plateaufläche 112 ist bevorzugt eben oder weist einen Krümmungsradius von etwa 40 mm oder mehr auf. Außerdem kann/können die Plateaufläche 112 und/oder die Schweißfläche 106 der beiden Schweißelektroden 104, falls erwünscht, strukturiert sein oder Oberflächenintrusionen oder -vorsprünge umfassen, wie in dem U.S.-Patent Nr. 8 525 066 beschrieben.The 8th - 9 illustrate another spot welding process in which the stack 10 at the weld 16 is spot-welded to basically achieve the same effects as before, but in this embodiment, similarly constructed multi-function welding electrodes 104 on each side of the pile 10 instead of in the 4 and 5 shown welding electrodes 36 . 40 used. As in 8th shown points each of the welding electrodes 104 the same basic components as those in 5 shown aluminum alloy welding electrode 40 with the exception of one major difference - and that includes each welding electrode 104 a welding surface 106 and a plateau 108 that is around a central axis 110 the welding surface 106 rises around. The welding surface 106 has a diameter 1060 from about 6 mm to 12 mm and a radius of curvature of about 20 mm to about 100 mm. The plateau 108 has a plateau surface 112 on, by the welding surface 106 is forcibly displaced by about 0.1 mm to about 0.5 mm. The plateau area 112 has a diameter 1120 from about 3 mm to about 7 mm and is shallower than the weld area 106 - the plateau area 112 is preferably flat or has a radius of curvature of about 40 mm or more. In addition, the plateau area can / can 112 and / or the welding surface 106 the two welding electrodes 104 if desired, be patterned or comprise surface intrusions or protrusions, as in U.S. Pat U.S. Patent No. 5,525,066 described.

Die in 8 gezeigte Schweißelektrode 104 ist multifunktionell infolge ihrer Fähigkeit, anders zu fungieren, wenn sie mit dem Stahlwerkstück 12 in Kontakt steht, als wenn sie mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 in Kontakt steht, wie in 9 illustriert ist. Im Speziellen stellt, wenn sie auf der Stahlseite verwendet wird, die Plateaufläche 112 des zentral angeordneten Plateaus 108 einen Kontakt mit der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 her und drückt in diese hinein. Während eines Stromflusses verhindert die relative Härte des Stahlwerkstückes 12, dass die umgebende Schweißfläche 106 einen Kontakt mit der Elektroden-Kontaktfläche 22 herstellt und in einem großen Ausmaß in diese eindrückt. Wenn sie hingegen auf der Aluminiumlegierungsseite verwendet wird, stehen das gesamte Plateau 108 und die umgebende Schweißfläche 106 mit der Elektroden-Kontaktfläche 26 des erweichten Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 in Kontakt und drücken in diese hinein. Die gleiche Schweißelektroden-Ausgestaltung bildet somit eine Aufstandsfläche 114 in der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14, die eine größere Oberfläche aufweist als eine Aufstandsfläche 116, die sie in der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 während des Punktschweißens bildet. Nach Beenden des elektrischen Stromes weist die in der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 gebildete Aufstandsfläche 114 wie zuvor eine um ein Verhältnis von etwa 1,5:1 bis etwa 16:1, und stärker bevorzugt von etwa 2:1 bis etwa 6:1, größere Oberfläche auf als die in der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 gebildete Aufstandsfläche 16.In the 8th shown welding electrode 104 is multifunctional due to its ability to act differently when used with the steel workpiece 12 is in contact as if with the aluminum alloy workpiece 14 is in contact, as in 9 is illustrated. Specifically, when used on the steel side, the plateau surface 112 of the centrally located plateau 108 a contact with the electrode pad 22 of the steel workpiece 12 here and push into it. During a current flow prevents the relative hardness of the steel workpiece 12 that the surrounding welding surface 106 a contact with the electrode pad 22 produces and impresses them to a large extent. On the other hand, when used on the aluminum alloy side, the entire plateau is present 108 and the surrounding weld area 106 with the electrode contact surface 26 of the softened aluminum alloy workpiece 14 in contact and press into it. The same welding electrode design thus forms a footprint 114 in the electrode contact area 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 that has a larger surface area than a footprint 116 put them in the electrode contact area 22 of the steel workpiece 12 during spot welding. After completion of the electric current, the in the electrode contact surface 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 formed footprint 114 as before, by a ratio of about 1.5: 1 to about 16: 1, and more preferably from about 2: 1 to about 6: 1, greater surface area than that in the electrode pad 22 of the steel workpiece 12 formed footprint 16 ,

Die Aufstandsflächen 114, 116, die durch die Schweißelektroden 104 an den Elektroden-Kontaktflächen 22, 26 des Stahl- und des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 12, 14 gebildet werden, haben die gleiche Wirkung wie zuvor. Das heißt, die Stromdichte ist an der Schweißstelle 16 in dem Stahlwerkstück 12 höher als in dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14, was bewirkt, dass sich verglichen mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 Wärme in einer kleineren Zone innerhalb des Stahlwerkstückes 12 konzentriert. Die konzentrierte Wärme kann auch verwendet werden, um ein Stahl-Schweißschmelzbad 118 innerhalb des Stahlwerkstückes 12 zu initiieren und zum Wachsen zu bringen. Die konzentrierte Wärmezone kann wiederum das Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad 120 in der gleichen Art und Weise beeinflussen, wie bereits erörtert. Des Weiteren besitzt die Verwendung von ähnlich gebauten Schweißelektroden 104 auf jeder Seite des Stapels 10 den zusätzlichen Vorteil, dass der Stapel 10 nicht orientiert werden muss, sodass die Werkstücke 12, 14 mit einer speziellen Schweißelektrode zusammenpassen. Es können somit viele Stapel 10 nacheinander punktgeschweißt werden, ohne dass es notwendig ist, den Stapel 10 nötigenfalls umzudrehen oder neu zu orientieren, um eine spezifische Elektroden/Werkstück-Paarung zu erreichen.The footprints 114 . 116 passing through the welding electrodes 104 at the electrode pads 22 . 26 of steel and aluminum alloy workpiece 12 . 14 are formed, have the same effect as before. That is, the current density is at the weld 16 in the steel workpiece 12 higher than in the aluminum alloy workpiece 14 what causes it to be compared with the aluminum alloy workpiece 14 Heat in a smaller zone within the steel work piece 12 concentrated. The concentrated heat can also be used to make a steel weld pool 118 within the steel workpiece 12 to initiate and to grow. The concentrated heat zone may again be the aluminum alloy weld pool 120 in the same way as discussed earlier. Furthermore, it has the use of similarly constructed welding electrodes 104 on each side of the pile 10 the added benefit of having the stack 10 does not have to be oriented so that the workpieces 12 . 14 with a special welding electrode match. It can thus many stacks 10 be spot welded successively without it being necessary to stack 10 if necessary, turn or reorient to achieve a specific electrode / workpiece mating.

Nach dem Punktschweißen des Stapels 10 – der das Stahlwerkstück 12 und das Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 umfasst – ist es möglich, den Ablauf zu ändern und die zwei ähnlich gebauten Schweißelektroden 104 zum Punktschweißen eines Stapels 130 zu verwenden, der zwei oder mehr Aluminiumlegierungs-Werkstücke 132 umfasst, wie in 15 gezeigt ist. Während des Punktschweißprozesses werden die Schweißelektroden 104 an einer Schweißstelle 136 in Kontakt mit gegenüberliegenden Elektroden-Kontaktflächen 134 gebracht und ein elektrischer Strom wird zwischen denselben geleitet. Anfänglich steht nur die Plateaufläche 112 jeder der Schweißelektroden 104 mit ihrer jeweiligen Elektroden-Kontaktfläche 134 in Kontakt. Die Plateauflächen 112 drücken bald in die Elektroden-Kontaktflächen 134 ein, und schließlich tun das die umgebenden Schweißflächen 106, wenn die Aluminiumlegierungs-Werkstücke 132 weich werden, um Aufstandsflächen 138 mit annähernd der gleichen Größe und Form zu bilden. Der Widerstand gegen den Fluss des elektrischen Stromes, der durch die Werkstücke 132 hindurch und über eine Stoß-Grenzfläche 140 hinweg geleitet wird, erzeugt Wärme und initiiert ein Aluminiumlegierungs-Schweißschmelzbad (in 15 nicht gezeigt) an der Stoß-Grenzfläche 140. Dieses Schweißbad dringt in die überlappenden Aluminiumlegierungs-Werkstücke 132 ein und nach dem Aufhören des elektrischen Stromes kühlt es ab und erstarrt zu einer Aluminiumlegierungs-Schweißlinse 142.After spot welding the stack 10 - the steel workpiece 12 and the aluminum alloy workpiece 14 - it is possible to change the process and the two similarly built welding electrodes 104 for spot welding a stack 130 to use two or more aluminum alloy workpieces 132 includes, as in 15 is shown. During the spot welding process, the welding electrodes become 104 at a weld 136 in contact with opposite electrode pads 134 brought and an electric current is passed between them. Initially, only the plateau surface 112 each of the welding electrodes 104 with their respective electrode contact area 134 in contact. The plateau areas 112 soon press into the electrode pads 134 and finally the surrounding welds do that 106 when the aluminum alloy workpieces 132 soften up to footprints 138 to form with approximately the same size and shape. The resistance to the flow of electric current flowing through the workpieces 132 through and over a shock interface 140 is passed, generates heat and initiates an aluminum alloy weld pool (in 15 not shown) at the impact interface 140 , This weld pool penetrates into the overlapping aluminum alloy workpieces 132 one and after the cessation of electric current cools and solidifies to an aluminum alloy weld nugget 142 ,

In ähnlicher Weise ist es, wie in 16 gezeigt, möglich, die beiden ähnlich gebauten Schweißelektroden 104 zum Punktschweißen eines Stapels 150 zu verwenden, der zwei oder mehr Stahlwerkstücke 152 umfasst. Während des Punktschweißprozesses werden die Schweißelektroden 104 an einer Schweißstelle 156 in Kontakt mit gegenüberliegenden Elektroden-Kontaktflächen 154 gebracht. Dann wird ein elektrischer Strom zwischen den beiden Elektroden 104 geleitet. Hier steht wegen der relativen Härte von Stahl die Plateaufläche 112 jeder Schweißelektrode hauptsächlich mit ihrer jeweiligen Elektroden-Kontaktfläche 154 in Kontakt und drückt in diese hinein, um Aufstandsflächen 158 mit annähernd der gleichen Größe und Form zu bilden. Der Widerstand gegen den Fluss des elektrischen Stromes, der durch die Werkstücke 152 hindurch und über eine Stoß-Grenzfläche 160 hinweg geleitet wird, erzeugt Wärme und initiiert ein Stahl-Schweißschmelzbad (in 16 nicht gezeigt) an der Stoß-Grenzfläche 160. Dieses Schweißbad dringt in die überlappenden Stahlwerkstücke 154 ein und nach dem Aufhören des elektrischen Stromes kühlt es ab und erstarrt zu einer Stahl-Schweißlinse 162.Similarly, it is as in 16 shown, possible, the two similarly built welding electrodes 104 for spot welding a stack 150 to use two or more steel workpieces 152 includes. During the spot welding process, the welding electrodes become 104 at a weld 156 in contact with opposite electrode pads 154 brought. Then an electric current between the two electrodes 104 directed. Here is the plateau surface because of the relative hardness of steel 112 each welding electrode mainly with their respective electrode pad 154 in contact and press into it, to footprints 158 to form with approximately the same size and shape. The resistance to the flow of electric current flowing through the workpieces 152 through and over a shock interface 160 is passed, generates heat and initiates a molten steel molten bath (in 16 not shown) at the impact interface 160 , This weld pool penetrates into the overlapping steel workpieces 154 one and after the cessation of the electric current, it cools down and solidifies to a steel weld nugget 162 ,

Die 10–11 illustrieren einen anderen Punktschweißprozess, in dem der Stapel 10 an der Schweißstelle 16 punktgeschweißt wird, um im Prinzip die gleichen Wirkungen wie zuvor zu erzielen, allerdings mit einer anderen Multifunktions-Schweißelektrode 92 als der, die in 8 gezeigt ist. Die hier verwendete Multifunktions-Punktschweißelektrode 92 ist in 10 gezeigt und weist die gleichen Grundkomponenten auf wie die in 4 gezeigte Stahl-Schweißelektrode 36, mit Ausnahme eines wesentlichen Unterschiedes. Das heißt, die Multifunktions-Schweißelektrode 92 umfasst eine gerundete Schweißfläche 94 und einen abgerundeten Vorsprung 96, der um eine zentrale Achse 98 der Schweißfläche 94 ansteigt. Die Schweißfläche 94 weist einen Durchmesser 940 von etwa 6 mm bis 12 mm und einen Krümmungsradius von etwa 20 mm bis etwa 100 mm auf. Der abgerundete Vorsprung 96 ist bevorzugt kugelförmig mit einem Durchmesser an der Schweißfläche 94, der in einem Bereich von etwa 3 mm bis etwa 7 mm liegt, und einem Krümmungsradius, der in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm liegt.The 10 - 11 illustrate another spot welding process in which the stack 10 at the weld 16 is spot-welded, in principle to achieve the same effects as before, but with a different multi-function welding electrode 92 as the one in 8th is shown. The multi-function spot welding electrode used here 92 is in 10 shown and has the same basic components as those in 4 shown steel welding electrode 36 , with the exception of one essential difference. That is, the multifunction welding electrode 92 includes a rounded welding surface 94 and a rounded ledge 96 , which is around a central axis 98 the welding surface 94 increases. The welding surface 94 has a diameter 940 from about 6 mm to 12 mm and a radius of curvature of about 20 mm to about 100 mm. The rounded projection 96 is preferably spherical with a diameter at the welding surface 94 which ranges from about 3 mm to about 7 mm, and a radius of curvature ranging from about 5 mm to about 20 mm.

Die in 9 gezeigte Schweißelektrode 92 ist, wie die in 8 gezeigte Schweißelektrode 104, multifunktionell infolge ihrer Fähigkeit, anders zu fungieren, wenn sie mit dem Stahlwerkstück 12 in Kontakt steht, als wenn sie mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 in Kontakt steht. Aus diesem Grund könnte die Multifunktions-Schweißelektrode 104 auf jeder Seite des Stapels 10 anstelle der in den 4 und 5 gezeigten Schweißelektroden 36, 40 in ähnlicher Weise wie die in 8 gezeigte Multifunktions-Schweißelektrode 104 verwendet werden. Wenn die hier gezeigte Multifunktions-Schweißelektrode 92 auf beiden Seiten des Werkstückstapels 10 verwendet wird, steht der abgerundete Vorsprung 96 mit dem Stahlwerkstück 12 in Kontakt und drückt in dieses hinein, und die umgebende Schweißfläche 94 tut dies allgemein nicht, während sowohl der abgerundete Vorsprung 96 als auch die umgebende Schweißfläche 94 mit dem Aluminiumlegierungs-Werkstück 14 in Kontakt stehen und drückt in dieses hinein drücken. Die gleiche Schweißelektroden-Ausgestaltung bildet somit eine Aufstandsfläche in der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14, die eine größere Oberfläche aufweist als eine Aufstandsfläche, die sie in der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 während des Punktschweißens in dem gleichen Ausmaß wie zuvor angegeben bildet.In the 9 shown welding electrode 92 is how the in 8th shown welding electrode 104 , multifunctional due to their ability to act differently when used with the steel workpiece 12 is in contact as if with the aluminum alloy workpiece 14 in contact. For this reason, the multi-function welding electrode could 104 on each side of the pile 10 instead of in the 4 and 5 shown welding electrodes 36 . 40 in a similar way to those in 8th shown multifunction welding electrode 104 be used. If the multi-function welding electrode shown here 92 on both sides of the workpiece stack 10 used is the rounded projection 96 with the steel workpiece 12 in contact and push into it, and the surrounding weld area 94 generally does not do this while both the rounded ledge 96 as well as the surrounding welding area 94 with the aluminum alloy workpiece 14 be in contact and push into it. The same welding electrode configuration thus forms a contact area in the electrode contact area 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 , which has a larger surface area than a footprint, in the electrode pad 22 of the steel workpiece 12 during spot welding to the same extent as previously stated.

Die in den 8 und 10 abgebildeten Multifunktions-Punktschweißelektroden 104, 92 müssen nicht unbedingt zusammen auf jeder Seite des Werkstückstapels 10 als die beiden Schweißelektroden verwendet werden. Jede der Multifunktions-Schweißelektroden 104, 92 kann durch die Stahl-Schweißelektrode 36 von 4 ersetzt und in Verbindung mit der Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 von 5 verwendet werden. Gleichermaßen kann jede der Multifunktions-Schweißelektroden 104, 92 durch die Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 von 5 ersetzt und in Verbindung mit der Stahl-Schweißelektrode 36 von 4 verwendet werden. Um dies zu demonstrieren, wird in der in 11 abgebildeten Ausführungsform die in 10 illustrierte Multifunktions-Schweißelektrode 92 auf der Stahlseite des Werkstückstapels 10 verwendet, wobei die oben in 5 beschriebene Aluminiumlegierungs-Schweißelektrode 40 auf der Aluminiumlegierungsseite verwendet wird.The in the 8th and 10 pictured multifunction spot welding electrodes 104 . 92 do not necessarily work together on each side of the workpiece stack 10 as they both Welding electrodes are used. Each of the multifunction welding electrodes 104 . 92 can through the steel welding electrode 36 from 4 replaced and in conjunction with the aluminum alloy welding electrode 40 from 5 be used. Similarly, any of the multifunction welding electrodes 104 . 92 through the aluminum alloy welding electrode 40 from 5 replaced and in conjunction with the steel welding electrode 36 from 4 be used. To demonstrate this, the in 11 illustrated embodiment, the in 10 illustrated multifunction welding electrode 92 on the steel side of the workpiece stack 10 used, the above in 5 described aluminum alloy welding electrode 40 is used on the aluminum alloy side.

Wenn sie durch die in 4 gezeigte Stahl-Schweißelektrode 36 als Teil des oben beschriebenen Punktschweißprozesses (1–3 und 6–7) ersetzt ist, drückt der abgerundete Vorsprung 96 in die Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12, um eine Aufstandsfläche 100 zu bilden, die schärfer sein kann als die durch die Stahl-Schweißelektrode 36 von 4 gebildete Aufstandsfläche 66. Nach Beenden des geleiteten elektrischen Stromes weist die in der Elektroden-Kontaktfläche 26 des Aluminiumlegierungs-Werkstückes 14 gebildete Aufstandsfläche 68 wie zuvor eine um ein Verhältnis von etwa 1,5:1 bis etwa 16:1, und stärker bevorzugt von etwa 2:1 bis etwa 6:1, größere Oberfläche auf als die in der Elektroden-Kontaktfläche 22 des Stahlwerkstückes 12 gebildete Aufstandsfläche 100. Der Punktschweißprozess, welcher die Ausbildung der Schweißverbindung und der konzentrierten Wärmezone innerhalb des Stahlwerkstückes 12 umfasst, ist im Prinzip der gleiche. Hier ist es jedoch möglich, dass die auf den abgerundeten Vorsprung 96 zurückzuführende Aufstandsfläche 100 die Stromdichte innerhalb des Stahlwerkstückes 12 erhöhen und steilere radiale Temperaturgradienten bezüglich der flacheren Schweißfläche 60 der zuvor beschriebenen Stahl-Schweißelektrode 36 erzeugen kann. Der abgerundete Vorsprung und seine wärmekonzentrierende Wirkung können somit eine kleinere Zone von Wärmekonzentration innerhalb des Stahlwerkstückes 12 und demzufolge ein kleineres Stahl-Schweißschmelzbad 102 initiieren, wenn die Initiierung zuerst erfolgt.If you go through the in 4 shown steel welding electrode 36 as part of the spot welding process described above ( 1 - 3 and 6 - 7 ), the rounded protrusion pushes 96 into the electrode contact area 22 of the steel workpiece 12 to a footprint 100 which can be sharper than that through the steel welding electrode 36 from 4 formed footprint 66 , After termination of the conducted electric current, that in the electrode contact surface 26 Aluminum Alloy Workpiece 14 formed footprint 68 as before, by a ratio of about 1.5: 1 to about 16: 1, and more preferably from about 2: 1 to about 6: 1, greater surface area than that in the electrode pad 22 of the steel workpiece 12 formed footprint 100 , The spot welding process, which involves the formation of the welded joint and the concentrated heat zone within the steel workpiece 12 is basically the same. Here it is possible, however, that on the rounded ledge 96 attributable footprint 100 the current density within the steel workpiece 12 increase and steeper radial temperature gradients with respect to the flatter welding surface 60 the steel welding electrode described above 36 can generate. The rounded projection and its heat-concentrating effect can thus provide a smaller zone of heat concentration within the steel workpiece 12 and consequently a smaller steel weld pool 102 initiate if initiation occurs first.

Die obige Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen und spezifischer Beispiele ist rein beschreibender Natur; diese sollen den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Ausdrücke soll seine gebräuchliche und übliche Bedeutung haben, es sei denn, in der Patentbeschreibung wird ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes zum Ausdruck gebracht.The above description of preferred exemplary embodiments and specific examples is purely descriptive in nature; these are not intended to limit the scope of the following claims. Each of the terms used in the appended claims is intended to have its usual and conventional meaning unless expressly and unambiguously stated otherwise in the specification.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6861609 [0036]
US 8222560 [0036]
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Claims

A method of spot welding a steel workpiece to an aluminum alloy workpiece, the method comprising: providing a stack comprising a steel workpiece and an aluminum alloy workpiece, wherein the steel workpiece and the aluminum alloy workpiece overlap to provide an impact interface; bringing an electrode contact surface of the steel workpiece into contact with a steel welding electrode; bringing an electrode contact surface of the aluminum alloy workpiece into contact with an aluminum alloy welding electrode; passing an electrical current between the steel and aluminum alloy welding electrodes and through the stack to initiate an aluminum alloy weld pool within the aluminum alloy workpiece and at the bump interface, wherein the electrical current in the steel workpiece has a higher current density as in the aluminum alloy workpiece; and the passage of the electric current is stopped at a time when a footprint formed by the aluminum alloy welding electrode at the electrode contact surface of the aluminum alloy workpiece has a larger surface area than a footprint formed by the steel welding electrode at the electrode contact surface of the steel workpiece wherein the footprint formed by the aluminum alloy welding electrode has a surface area greater than the footprint formed by the steel welding electrode by a ratio of 1.5: 1 to 16: 1.

The method of claim 1, wherein the aluminum alloy welding electrode comprises a welding surface having a diameter between 6 mm and 20 mm and a radius of curvature between 15 mm and flat, and wherein the steel welding electrode comprises a welding surface having a diameter between 4 mm and 16 mm and a radius of curvature of 20 mm or more.

The method of claim 1, wherein at least one of the aluminum alloy welding electrode or the steel welding electrode has a welding surface and a rounded protrusion rising above a central axis of the welding surface, the welding surface having a diameter of 6 mm to 12 mm and a radius of curvature of 20 mm to 100 mm and the rounded projection has a diameter of 3 mm to 7 mm at the welding surface and a radius of curvature of 5 mm to 20 mm.

The method of claim 1, wherein at least one of the aluminum alloy welding electrode or the steel welding electrode has a welding surface and a plateau forcibly displaced from the welding surface and rising above a central axis of the welding surface, the welding surface having a diameter of 6 mm to 12 mm and a radius of curvature of 20 mm to 100 mm, and wherein the plateau surface of the plateau has a diameter of 3 mm to 7 mm and a radius of curvature of 40 mm or more on the welding surface, while being shallower than the welding surface.

The method of claim 1, wherein the act of passing an electrical current between the steel and aluminum alloy welding electrodes and through the stack initiates a molten steel molten bath within the steel workpiece.

The method of claim 5, wherein the molten steel molten bath twists an abutting surface of the steel workpiece away from the electrode contact surface of the steel workpiece to thicken the steel workpiece at the weld.

The method of claim 5, wherein after completing the passage of the electrical current, the aluminum alloy weld pool melts to a weld joint comprising an aluminum alloy weld nugget, and the molten steel weld pool solidifies to a steel weld nugget, wherein the steel weld nugget does not rise extends to a shock interface of the steel workpiece.

The method of claim 1, wherein after the completion of the passage of electrical current, the aluminum alloy weld pool melts to a weld joint comprising an aluminum alloy weld nugget and an Fe-Al intermetallic layer.

A method of spot welding comprising: providing a first workpiece stack comprising a steel workpiece and an aluminum alloy workpiece, wherein the steel workpiece and the aluminum alloy workpiece overlap to provide an impact interface; contacting an electrode contact surface of the steel workpiece with a first welding electrode and bringing an electrode contact surface of the aluminum alloy workpiece into contact with a second welding electrode, the first and second welding electrodes being diametrically opposed to their respective workpiece surfaces Welding point are pressed, each of the first and the second welding electrode having the same structure; passing an electrical current between the first and second welding electrodes and through the first workpiece stack at the weld to initiate and grow an aluminum alloy weld pool in the aluminum alloy workpiece which wets an adjacent abutting surface of the steel workpiece; electric current in the steel workpiece has a higher current density than in the aluminum alloy workpiece; the passage of the electric current is stopped and the first and second welding electrodes are withdrawn from the steel and aluminum alloy workpieces; a second stack of workpieces is provided, comprising either (1) a steel workpiece and another steel workpiece overlapping to provide a butting interface between the steel workpieces, or (2) an aluminum alloy workpiece and another aluminum alloy workpiece which is overlap to provide an impact interface between the aluminum alloy workpieces; opposite sides of the second workpiece stack are brought into contact with the first and second welding electrodes, and an electric current is passed between the first and second welding electrodes and through the second workpiece piece stack, the electric current being an aluminum alloy molten weld pool at a butting interface initiating and growing overlapping aluminum alloy workpieces when the second workpiece stack comprises aluminum alloy workpieces, or initiating a steel weld pool at a butting interface of the overlapping steel workpieces and causing them to grow when the workpiece stack comprises steel workpieces.

The method of claim 9, wherein during the passing of the electrical current between the first and second welding electrodes and through the first workpiece stack, the first welding electrode is pressed into the aluminum alloy workpiece to form a footprint on the electrode contact surface of the aluminum alloy workpiece and the second welding electrode is pressed into the steel workpiece to form a footprint on the electrode contact surface of the steel workpiece, and at the time when the passage of the electric current is terminated, the footprint formed by the first welding electrode is one Ratio of 1.5: 1 to 16: 1 has greater surface area than the footprint formed by the second welding electrode.