焊接电极、用于阻抗点焊的方法和机动车与流程

本发明涉及一种用于阻抗点焊(widerstandspunktschweißen，有时称为电阻点焊)的焊接电极以及一种用于工件尤其车身部件的阻抗点焊的方法。此外本发明涉及一种机动车，该机动车具有构件组，该构件组的构件利用根据本发明的用于阻抗点焊的方法连接。

背景技术：

已知的问题是，用于阻抗点焊的电极经受相对高的磨损或需要相对高的再加工耗费。这尤其涉及用于焊接强烈氧化的材料(例如铝板件或镁板件)的焊接电极。相比于钢材料的阻抗点焊，用于铝板件或镁板件的焊接的阻抗点焊电极的寿命降低了直到90%。以相应的方式在此可在再加工、腐蚀保护和质量保证方面引起提高的耗费。

在这些轻金属处实施的阻抗点焊尤其对于点腐蚀(lochkorrosion，有时称为孔腐蚀)是无抵抗力的，因为通常应用的铜电极的颗粒与铝板件或镁板件连接并且由此促进焊接部位的腐蚀。因此必要的是，当尤其在轻质结构区域中进行阻抗点焊时降低磨损以及也降低易受腐蚀性(korrosionsanfälligkeit)。

在用于阻抗点焊的电极处的典型的磨损迹象在附图1中呈现。

图1以传统的焊接电极的端侧的俯视图示出了端面3，在该端面3处以环面为出发点侵蚀4已经相对于端面的中心扩散。在此明显地可看出在侵蚀4的区域中的裂开的表面。

对于该侵蚀的原因在于接触引起的、在焊接电极的贴靠面上的不均匀的热分配。

在焊接电极在其贴靠面上的不均匀的负载的情况中产生在电极和与电极接触的工件之间的不均匀的接触阻抗分配。在提高的接触阻抗的区域中因此产生阻抗引起的提高的热输入。由此产生在电极罩表面之上的不同的温度梯度，所述温度梯度在承载面的边界区域中达到最大。那里的温度能够超过铜和铝的熔化温度，从而能够产生彼此接触的材料的软化或甚至熔化并且由此在这些材料之间能够发生焊接过程(lötvorgang)。这能够导致在焊接电极和待焊接的工件之间的固定的机械连接。因此在完成工件的焊接后在将焊接电极从待焊接的工件上松开的过程中能够产生颗粒从焊接电极剥落，该颗粒保留在待焊接的工件处。由此产生焊接电极的压靠面的还更粗糙的结构并且因此在任何另外的焊接中产生还更不平均的力分配。因此利用任何另外的焊接点在焊接电极的承载面处的侵蚀区域扩大。如果在焊接电极和待焊接的工件之间产生非常固定的机械连接，当焊接电极实施成带有与待焊接的工件固定地连接的电极罩并且在罩的内部中设置有用于引导冷却介质的管道时，甚至能够产生贴靠失效。在这样的情况中用于将冷却介质运载到电极罩的流动技术上的连接能够断开，这能够导致冷却介质的排出和/或导致电极的降低的冷却。

为了克服一些这样的问题选择不同的方式。一些汽车制造商在执行焊接过程后或期间关于待焊接的工件实施焊钳的运动，从而存在的磨损迹象或机械的连接被剪断并且因此尽管磨损但另一焊接是可能的。当然通过这种方式无法保证，焊接电极的颗粒不遗留在待焊接的工件的表面上并且形成部分显著的腐蚀潜能。为了执行提到的相对运动(该相对运动常常实现为转动)，在待焊接的工件处还应保持相应的容积自由，焊钳的相对运动能够在该容积中发生。

此外代替圆柱形的或棒形的电极也使用所谓的环形电极，该环形电极此外在其起接触作用的表面处具有一定的结构，由此应当在焊接过程期间实现改善的接触。然而该方案的缺点是利用环形电极焊接的焊接点的视觉迹象图以及腐蚀潜能，该腐蚀潜能通过生成的焊接点的更大的粗糙度提高。该相对粗糙的表面也阻止了焊接的连接的超声波检查的可能性。

用于克服前述问题的另一方式存在于由电极施加的压紧力的提高以及不同的电流特性(stromprofil)。当然待焊接的构件也必须能够忍受住高的压紧力。此外存在提高的控制技术上的耗费以用于实现不同的电流曲线。

此外研发了这样的用于阻抗点焊的电极，即其具有由碳化钛制成的覆层，该覆层应当提高电极的寿命。然而该设计方案的缺点是，电极的再加工尤其后铣削由于由碳化钛制成的相对薄的表面层是不可能的。因此焊接电极的相对频繁的更换是必需的，这继而提高了制造时间。此外在这样的覆层中由于在碳化钛和铝表面之间的差的热传导也不可避免电极罩的所谓的“粘贴(ankleben)”。

用于针对钢板件的阻抗点焊的通常的电极由铜或弥散强化的铜制造。这包括由非常有传导能力的材料制成的电极罩或电极护套和由高强度的材料制成的电极芯。该组合然而仅仅受限地适用于轻金属的焊接，因为描述的磨损迹象通过带有更低的电导率的芯提高。

从文件de2554990中已知一种用于电阻焊接的电极，其具有由坚固的材料制成的电极芯以及由有高传导能力的材料制成的电极护套。具有更高的热硬度的材料优选地由弥散强化的铜合金制成。

从文件de19738957a1中可得知一种用于阻抗点焊的电极，其包括在接触面的区域中的由可高度导热且导电的铜合金或由带有颗粒或纤维的铜复合材料或由材料复合物制成的芯。在电极的外面的区域中电极由可高度导热且导电的铜构造。在电极的芯和外面的区域之间能够存在高强度的反应层或所谓的保护层。

文件de102014010235a1教导应用复合材料以用于制造电极罩，其中复合材料具有由第一铜材料制成的芯和由第二铜材料制成的护套并且对于芯选择相比于护套的铜材料具有更高的软化抵抗性的铜材料。

从这些文件中已知的用于阻抗点焊的电极的共同点是，这些电极尤其在贴靠面的边界区域中为了接触待焊接的工件通过铜材料构造，该铜材料在描述的不均匀的力引入中具有缺点，即产生不均匀的阻抗分配并且因此在电极中并且在材料处产生温度梯度，该温度梯度能够促使电极材料和/或在接触的区域中的材料的局部的熔融，从而能够在电极和材料之间产生不期望的焊接过程，该焊接过程在电极移除时此外导致铜颗粒保留在工件处以及导致与此关联的腐蚀形成。

技术实现要素：

因此本发明的任务在于，提供一种用于阻抗点焊的焊接电极以及一种用于工件尤其由轻金属制成的工件的阻抗点焊的方法供使用，利用该焊接电极和该方法以简单的、成本适宜的以及可靠的方式使工件尤其由轻金属制成的工件的阻抗点焊成为可能。

该任务根据本发明通过根据权利要求1所述的焊接电极以及通过根据本发明的根据权利要求8所述的用于工件的阻抗点焊的方法解决。根据本发明的焊接电极的有利的设计方案在权利要求2到7中说明。根据本发明的用于阻抗点焊的方法的优选的设计方案在从属权利要求9中说明。补充地根据权利要求10提供一种机动车供使用，该机动车具有通过根据本发明的用于阻抗点焊的方法彼此接合的构件。

根据本发明的焊接电极用于阻抗点焊，尤其用于轻金属例如由铝合金和/或镁合金制成的构件或板件的阻抗点焊。焊接电极包括电极杆(elektrodenschaft)，该电极杆具有用于压靠到待焊接的工件上并且用于将电流引入到待焊接的工件中的端面。电极杆至少在端面处具有电极芯，以及基本上并且优选地完全包围电极芯的、构造电极杆的外侧的电极护套。在此设置成，电极芯的端侧的端部构造电极杆的端面的区域。电极护套的材料具有至少400n/mm²的抗拉强度。

焊接电极在此能够如此实施，即使得整个电极杆实施成带有电极芯和电极护套。通过电极的根据本发明的构建实现了，电极在边界区域中(在该边界区域中通常实现更低的面压力并且因此存在更高的电阻)颗粒从电极护套上的脱离由于其提高的强度被阻止。由此腐蚀潜能降低并且电极的磨损减少。电流的主要份额通过电极芯在低电阻的区域中实现。由此可靠地使在待焊接的工件之间的整齐的(sauber)焊接熔核形成成为可能。

因此存在电极的更低的磨损以及焊接点的改善的质量并且因此存在降低的再加工耗费以及也更低的腐蚀危险。

由于电极护套在端侧是敞开的从而电极杆的端面的区域通过电极芯构造，故电极芯本身能够接触待焊接的工件。

除了降低磨损以及减少腐蚀的优点之外产生焊接电极的延长的寿命以及根据需要现存的电极的批量生产(konfektionierung)的可能性，例如通过再铣削。

优选地电极芯由带有至少85%iacs(即至少49.3×10⁶s/m)的电导率的材料制成。由此实现在工件之间的整齐的焊接熔核形成。

电极护套的材料在室温下应当优选地具有至少180hv的硬度。该相对高的硬度预防在焊接电极的表面处的另外的磨损或另外的侵蚀形成。

作为电极芯的材料，尤其cu-etp或银合金是可能的。作为电极护套的材料优选地可应用弥散强化的铜或钨。弥散强化的铜例如cu-etp(其也以命名e-cu58或e-cu57或简单地e-cu，材料标号cw0004a所已知)是带有在热和电方面非常高的传导率的通过电解精炼制造的铜。所述铜通常由带有一个或多个添入的成分的铜基体制成。在更简单的设计方案中作为电极芯的材料也能够应用基本上纯的铜，因为该铜已经表示由电导率、热硬度和成本组成的适合的组合。此外这样的电极芯的制造可借助于挤压成形相对成本适宜地实施。

在此本发明不限于应用提到的材料，而是银材料作为用于电极芯的材料以及钼材料作为用于电极护套的材料也是可行的。

为了在电极的阻抗引起的加热中忍受住高的机械负载，优选地设置成，电极护套的材料具有至少600°c的热硬度。

在根据本发明的焊接电极的一种优选的实施方式中设置成，该焊接电极的端面凸地拱弯地实施。也就是说，端面具有凸度，从而确保了，在焊接电极基本上垂直地置放到待焊接的工件上时中央的电极芯接触待焊接的工件。当然平坦地实施的端面也应当不从本发明排除掉。

凸的拱弯部的半径rw应当关于电极护套的在横截面(该横截面在从凸的拱弯部到电极护套中的过渡的区域中伸延)中的最大的延伸量tm处于rw/tm=2.5到10的关系中。由此在焊接性质以及待记录的磨损方面产生好的结果。凸的拱弯部的半径rw的大小能够例如为120mm到160mm，尤其150mm。由此尽可能大的电流通过面关联有高的过程安全性。

在电极杆或电极护套的厚度关于电极芯的厚度之间的关系优选地如此设计，即使得在电极杆的横截面中电极护套具有最大的延伸量tm并且在相同的横截面中电极芯具有最大的延伸量tk，其中电极芯的最大的延伸量tk相对于电极护套的最大的延伸量tm处于tk/tm=0.1到0.7的关系中。

电极杆的横截面在此不一定限于圆形，而是该横截面也能够有棱角地或星形地或椭圆形地实施。然而如果电极杆具有圆形的横截面，因此电极芯的直径dk相对于电极护套的外直径dm处于dk/dm=0.4到0.7的关系中。电极杆或电极护套的优选的外直径为13mm和19mm之间，尤其16mm。如此确定尺寸的电极直径使小的法兰长度的焊接成为可能并且在此还提供了用于冷却焊接电极的足够的可能性。

利用根据本发明的焊接电极降低了焊接电极粘附在待焊接的工件处的倾向，其中不存在关于焊接部位的可接近性的限制。由于起接触作用的端面的边界区域的提高的强度，存在颗粒从电极剥落的降低的风险以及因此更低的腐蚀危险。由此可生成带有良好的表面质量的焊接部位，该焊接部位也确保了无损坏的可检测性。根据本发明的焊接电极可相对小地被确定尺寸，从而待焊接的法兰能够相应地小地被确定尺寸。由此产生不同的成本节省可能性，其除了预先加工或再加工和用于质量保证的耗费的减少以外也通过低的控制耗费给出。总体来说可因此提高应用的焊接电极的寿命、降低再加工耗费以及减轻腐蚀危险。

为了解决本任务此外提供一种用于工件的阻抗点焊的方法供使用，在该方法中使用根据本发明的焊接电极。在此将两个互相待焊接的工件彼此贴靠或彼此直接接近地定位。然后利用焊接电极在压靠到第一工件上的情况下电流被引导通过工件，从而产生在工件之间的在电流的流动路径中的阻抗引起的加热并且产生工件的焊接。

优选地待焊接工件中的至少一个的材料是带有至少80%铝的质量份额的铝合金或带有至少80%镁的质量份额的镁合金。优选地下面的材料可作为待焊接的材料使用：根据dinen573-3的系列5000,6000和7000的铝合金和根据1982年8月发布的din1729第1部分－镁合金锻造合金(nachdin1729–teil1.ausgabe8.1982magnesiumlegierungen.knetlegierungen)的锻造镁合金。在此该方法能够如此实施，即使得两个互相待焊接的工件由铝合金制成或两个工件由镁合金制成或工件中的一个由铝合金制成并且另一工件由镁合金制成。

对于本发明补充地提供机动车尤其轿车供使用，该机动车具有至少一个构件组，该构件组的工件借助于根据本发明的用于阻抗点焊的方法互相接合。

附图说明

在下文中根据在附图中呈现的实施例解释本发明。

图1示出了磨损的传统的用于阻抗点焊的电极的俯视图，

图2以透视截面图示出了根据本发明的用于阻抗点焊的电极，

图3示出了在电阻点焊中的力分布特性，

图4示出了在电阻点焊中的电阻的分布特性，

图5示出了在电阻点焊中的温度分布特性。

参考符号列表

1电极杆

2外侧

3端面

4侵蚀

5凸的拱弯部

rw凸的拱弯部的半径

10电极芯

tk电极芯的最大的延伸量

11端侧的端部

20电极护套

tm电极护套的最大的延伸量

30第一工件

31第二工件

40配对电极

f压紧力

50小的压紧力

51大的压紧力

60小的电阻

61大的电阻

70低的温度

71高的温度。

具体实施方式

在图2中呈现了根据本发明的用于阻抗点焊的焊接电极，其在此在横截面中以透视图示出。可看出电极杆1，其基本上构造成圆柱体。所述电极杆1的外侧2通过电极护套20构造，该电极护套20基本上具有管形或在横截面中限定了环形。电极芯10位于由电极护套20包围的容积中。根据本发明电极护套由带有至少600°c的热硬度的材料制成。

电极芯优选地由带有至少85%iacs(若有可能甚至100%iacs)的电导率的材料制成。这意味着，电极芯具有至少49.3×10⁶s/m或甚至至少58×10⁶s/m的电导率。

显而易见的是，电极芯10的端侧的端部11构造了电极杆1的端面3的一部分即中央区域。由此确保了，在将端面3压紧到待焊接的工件上时不仅电极护套20而且电极芯10接触工件。

此外可看出的是，在示出的横截面中的电极芯的最大的延伸量tk具有在相同的横截面中的电极护套的最大的延伸量tm的大约三分之一。

在图3到5中呈现了阻抗点焊的过程，其中在图3中呈现了在焊接电极的端面中的在此出现的力分布特性，在图4中呈现了在电极的端面中的出现的电阻的分布特性并且在图5中呈现了在电极的端面中的温度的分布特性。

如从这些图中显而易见的是，彼此贴靠的第一工件30和第二工件31在相对而置的侧边处由焊接电极加载有压紧力f。电极在此构造成带有端面3的根据本发明优选地设置的凸度，从而该电极具有凸的拱弯部5。

在图3中在此表明电极芯10在电极杆1中的位置，并且在图4中表明凸的拱弯部5的半径rw。

在端面3中的压紧力f以及在端面3中的电阻和在端面3中的温度分配的分布特性根据上面呈现的电极解释，该电极连同下面呈现的匹配电极将压紧力f对施加到待焊接的工件30,31上。

从图3中显而易见的是，由于端面3的凸的拱弯部5，电极杆1的中心相比端面3的边界区域更强烈地按压到待焊接的第一工件30上。这在用于力分布特性的在右边呈现的图表中阐明。利用更浅的区域标记小的推动力50并且利用更深的区域标记大的推动力51。

因此工件30,31的由电极加载力的中央的区域经受更大的压紧力。

由此在该区域中电阻下降，如这可从图4中看出的那样。在此利用更浅的区域标记小的电阻60并且利用更深的区域标记大的电阻61。

因此可记录在端面3的边界区域中的相对提高的电阻。电阻的分布特性利用在图4中在右边呈现的图表阐明。

由于电阻的所述分布特性在带有提高的电阻的边界区域中产生阻抗引起的、加强的加热，如这可从图5中看出的那样。在此利用更浅的区域标记低的温度70并且利用更深的区域标记高的温度71。

此外由于相比于边界区域在端面3的中心中存在的更高的电流强度在该区域中自然地也存在相对高的温度。

由于应用用于电极护套20的高热强度的材料，阻止了：尽管在端面3的边界区域中的高的温度颗粒从该材料中脱落或也被熔化。这尤其在焊接面的边界区域中促使，在此焊接电极的颗粒不遗留并且待焊接的第一工件30的表面不被损害。