DE102017102032B4 - Milling tool for welding electrodes and method for using it - Google Patents
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Abstract
Fräswerkzeug (10), das zum Nacharbeiten asymmetrischer Schweißseitengeometrien von ersten und zweiten Schweißelektroden (200, 220) in der Lage ist, wobei das Fräswerkzeug (10) umfasst:
einen Körper (12), der sich der Länge nach entlang einer Mittelachse (18) zwischen einem ersten Ende (22) und einem zweiten Ende (26) erstreckt, und
ein Fräselement (14) innerhalb des Körpers (12), das eine erste Fräsaufnahme (32) bildet, die durch eine erste Öffnung (32) an dem ersten Ende (22) des Körpers (12) hindurch zugänglich ist, und das ferner eine zweite Fräsaufnahme (34) bildet, die durch eine zweite Öffnung (24) an dem zweiten Ende (26) des Körpers (12) hindurch zugänglich ist, wobei das Fräselement (14) eine Fräsfurche (58) umfasst, die eine Fräsklinge enthält, welche axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen (68, 70) aufweist, welche zumindest teilweise die erste bzw. zweite Fräsaufnahme (32, 34) definieren, wobei die erste Abscherfläche (68) einen unteren Endabschnitt (72) umfasst, der profiliert ist, um eine erste Schweißseitengeometrie zu fräsen, die eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche (210) umfasst, und wobei die zweite Abscherfläche (70) einen unteren Endabschnitt (86) umfasst, der profiliert ist, um eine zweite Schweißseitengeometrie zu fräsen, die eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche (230) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Schweißseitengeometrie ferner eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten (232) umfasst, welche von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche der zweiten Schweißseitengeometrie aus nach außen vorstehen; und dass
der Körper (12) und das Fräselement (14) einstückig ausgebildet sind.
Milling tool (10) capable of reworking asymmetric welding side geometries of first and second welding electrodes (200, 220), the milling tool (10) comprising:
a body (12) extending longitudinally along a central axis (18) between a first end (22) and a second end (26), and
a milling element (14) within the body (12) forming a first milling receptacle (32) accessible through a first opening (32) at the first end (22) of the body (12) and further forming a second milling receptacle (34) accessible through a second opening (24) at the second end (26) of the body (12), wherein the milling element (14) includes a milling groove (58) containing a milling blade having axially spaced and opposed first and second shearing surfaces (68, 70) at least partially defining the first and second milling receptacles (32, 34), respectively, wherein the first shearing surface (68) includes a lower end portion (72) profiled to mill a first weld face geometry comprising a planar or curved weld face base surface (210), and wherein the second shearing surface (70) has a lower end portion (86) profiled to mill a second weld side geometry comprising a curved weld side base surface (230),
characterized in that
the second weld face geometry further comprises a series of upstanding circular ridges (232) projecting outwardly from the curved weld face base surface of the second weld face geometry; and that
the body (12) and the milling element (14) are formed in one piece.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Fräswerkzeug zum Nacharbeiten von Schweißelektroden bzw. Schweißkappen, die zum Widerstandspunktschweißen von Werkstückstapeln verwendet werden, die einander unähnliche Werkstücke enthalten, etwa ein Werkstück aus Aluminium und ein benachbartes Werkstück aus Stahl. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Fräswerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der
Ferner geht aus der
Weitergehender Stand der Technik ergibt sich ferner aus der
EINLEITUNGINTRODUCTION
Widerstandspunktschweißen ist ein Prozess, der in einer Anzahl von Industrien verwendet wird, um zwei oder mehrere Werkstücke aus Metall zusammenzufügen. Die Kraftfahrzeugindustrie beispielsweise verwendet oft Widerstandspunktschweißen, um Werkstücke aus Metall unter anderem während der Herstellung von Strukturrahmenelementen (z.B. Karosserieseiten- und Querelemente) und Fahrzeugschließelementen (z.B. Fahrzeugtüren, Motorhauben, Kofferraumdeckel und Heckklappen) zusammenzufügen. An verschiedenen Punkten entlang eines Rands der Werkstücke aus Metall oder an einer anderen Verbindungsregion wird oft eine Anzahl von Schweißpunkten ausgebildet, um sicherzustellen, dass das Teil strukturell stabil ist. Obwohl Punktschweißen typischerweise praktiziert worden ist, um bestimmte ähnlich zusammengesetzte Werkstücke aus Metall zusammenzufügen - etwa Stahl mit Stahl und Aluminium mit Aluminium - , hat der Wunsch zum Einbauen von leichteren Materialien in eine Fahrzeugkarosseriestruktur Interesse am Zusammenfügen von Werkstücken aus Stahl mit Werkstücken aus Aluminium durch Widerstandspunktschweißen erzeugt. Der vorstehend erwähnte Wunsch zum Widerstandspunktschweißen von einander unähnlichen Werkstücken aus Metall ist nicht einzigartig für die Kraftfahrzeugindustrie; tatsächlich erstreckt er sich auf andere Industrien, die Punktschweißen verwenden können, einschließlich der Luftfahrt-, Schifffahrts-, Eisenbahn- und Bauindustrie.Resistance spot welding is a process used in a number of industries to join two or more metal workpieces together. The automotive industry, for example, often uses resistance spot welding to join metal workpieces during the manufacture of structural frame members (e.g., body side and cross members) and vehicle closure elements (e.g., vehicle doors, hoods, deck lids, and liftgates), among others. A number of spot welds are often formed at various points along an edge of the metal workpieces or at another joining region to ensure the part is structurally sound. Although spot welding has typically been practiced to join certain similarly composed metal workpieces—such as steel to steel and aluminum to aluminum—the desire to incorporate lighter materials into a vehicle body structure has generated interest in joining steel workpieces to aluminum workpieces using resistance spot welding. The aforementioned desire to resistance spot weld dissimilar metal workpieces is not unique to the automotive industry; in fact, it extends to other industries that can use spot welding, including the aerospace, marine, railway, and construction industries.
Widerstandspunktschweißen beruht allgemein auf dem Fließen eines elektrischen Stroms durch einander überlappende Werkstücke aus Metall, um Wärme zu erzeugen. Zum Ausführen eines derartigen Schweißprozesses wird ein Satz von einander gegenüberliegenden Schweißelektroden in aufeinander zu orientierter Ausrichtung gegen entgegengesetzte Seiten des Werkstückstapels gepresst, der typischerweise zwei oder drei Werkstücke aus Metall enthält, die in einer überlappenden Konfiguration angeordnet sind. Dann wird elektrischer Strom von einer Schweißelektrode durch die Metallwerkstücke hindurch zu der anderen geleitet. Ein Widerstand gegen das Fließen dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme in den Werkstücken aus Metall und an ihren Stoßflächen. Wenn der Werkstückstapel ein Werkstück aus Aluminium und ein benachbartes überlappendes Werkstück aus Stahl enthält, verursacht die Wärme, die an der Stoßfläche und innerhalb der Materialmasse dieser einander unähnlichen Werkstücke aus Metall erzeugt wird, die Entstehung eines Schmelzbads aus Aluminiumschmelze, welches von der Stoßfläche aus in das Werkstück aus Aluminium vordringt, und lässt es anwachsen. Dieses Schmelzbad aus Aluminiumschmelze benetzt die benachbarte Stoßfläche des Werkstücks aus Stahl und erstarrt nach dem Beenden des Stromflusses zu einer Schweißfügestelle, welche die zwei Werkstücke miteinander durch Schweißen verbindet.Resistance spot welding generally relies on the flow of an electric current through overlapping metal workpieces to generate heat. To perform this welding process, a set of opposing welding electrodes is pressed in facing alignment against opposite sides of the workpiece stack, which typically contains two or three metal workpieces arranged in an overlapping configuration. An electric current is then passed from one welding electrode through the metal workpieces to the other. Resistance to the flow of this electric current generates heat in the metal workpieces and at their mating surfaces. If the workpiece stack contains an aluminum workpiece and an adjacent overlapping steel workpiece, the heat generated at the mating surface and within the mass of these dissimilar metal workpieces causes a molten aluminum pool to form, penetrate from the mating surface into the aluminum workpiece, and cause it to grow. This molten pool of molten aluminum wets the adjacent butt surface of the steel workpiece and, after the current flow has stopped, solidifies into a weld joint that joins the two workpieces together by welding.
Jede der Schweißelektroden, die zum Durchführen eines Widerstandspunktschweißens verwendet werden, enthält eine Schweißseite, die an einem Ende eines Elektrodenkörpers angeordnet ist. Die Schweißseite ist der Abschnitt der Schweißelektrode, der den Werkstückstapel kontaktiert und damit elektrisch kommuniziert. Über den Verlauf wiederholter Widerstandspunktschweißoperationen hinweg sind die Schweißseiten der Schweißelektroden anfällig für eine Verschlechterung aufgrund der großen Wärmemenge, die an den Schweißseiten während eines Stromflusses erzeugt wird, und der hohen Kompressionskraft, die verwendet wird, um die Schweißseiten gegen den Werkstückstapel zu drücken. Diese Verschlechterung kann eine plastische Deformation der Schweißseite und/oder das Entstehen einer Kontaminierung umfassen, welche aus einer Reaktion zwischen der Elektrode und dem jeweiligen kontaktierten Werkstück bei erhöhten Temperaturen resultiert. Um die Lebensdauer der Schweißelektroden zu verlängern, speziell in einer Produktionsumgebung, kann die ursprüngliche Geometrie der Schweißseiten der Schweißelektroden periodisch wiederhergestellt werden. Dieser Wiederherstellungsprozess sollte schnell, praktisch und genau sein, so dass er Produktionsoperationen nicht dadurch unterbricht, dass die Schweißelektroden für längere Zeitperioden nicht zur Verfügung stehen.Each welding electrode used to perform resistance spot welding includes a welding face located at one end of an electrode body. The welding face is the portion of the welding electrode that contacts and electrically communicates with the workpiece stack. Over the course of repeated resistance spot welding operations, the welding faces of the welding electrodes are susceptible to deterioration due to the large amount of heat generated at the welding faces during current flow and the high compressive force used to press the welding faces against the workpiece stack. This deterioration can include plastic deformation of the welding face and/or the development of contamination resulting from a reaction between the electrode and the respective contacted workpiece at elevated temperatures. To extend the service life of the welding electrodes, especially in a production environment, the original geometry of the welding faces of the welding electrodes can be periodically restored. This restoration process should be fast, convenient, and accurate so that it does not interrupt production operations by making the welding electrodes unavailable for extended periods.
Das Widerstandspunktschweißen eines Werkstücks aus Aluminium an ein Werkstück aus Stahl ist mit Problemen belastet. Abgesehen von der Notwendigkeit zum periodischen Nacharbeiten von Schweißseiten, die unterschiedliche Verschlechterungsmechanismen durchlaufen, machen es die völlig unterschiedlichen Eigenschaften der zwei Werkstücke und das Vorhandensein einer mechanisch festen, elektrisch isolierenden und sich selbst heilenden hitzebeständigen Oxidschicht (oder mehrerer Schichten) auf dem Werkstück aus Aluminium schwierig, Schweißverbindungen mit angemessener Abschäl- und Querspannungsfestigkeit auf konsistente Weise zu erzielen. Da die bisherigen Bemühungen beim Punktschweißen nicht besonders erfolgreich gewesen sind, wurden hauptsächlich mechanische Befestigungselemente, die Stanznieten und „Flow-Drill“-Schrauben umfassen, verwendet, um Werkstücke aus Aluminium und Stahl aneinander zu befestigen. Jedoch benötigen mechanische Befestigungselemente mehr Zeit zur Installation und weisen im Vergleich mit dem Punktschweißen hohe Verbrauchskosten auf. Außerdem fügen sie Gewicht zu der Fahrzeugkarosseriestruktur hinzu - Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen mit Hilfe von Punktschweißen bewerkstelligt wird - welches einem Teil der Gewichtseinsparungen entgegenwirkt, die hauptsächlich durch die Verwendung von Werkstücken aus Aluminium erzielt werden. Zudem können mechanische Befestigungselemente Stellen für eine galvanische Korrosion an dem Werkstück aus Aluminium einbringen, da die Befestigungselemente typischerweise aus Stahl bestehen.Resistance spot welding of an aluminum workpiece to a steel workpiece is fraught with challenges. Aside from the need for periodic rework of weld faces, which undergo different deterioration mechanisms, the vastly different properties of the two workpieces and the presence of a mechanically strong, electrically insulating, and self-healing heat-resistant oxide layer (or multiple layers) on the aluminum workpiece make it difficult to consistently achieve welds with adequate peel and transverse stress strength. Since previous spot welding efforts have not been particularly successful, mechanical fasteners, including self-piercing rivets and flow-drill screws, have been primarily used to join aluminum and steel workpieces. However, mechanical fasteners require more time to install and have high consumable costs compared to spot welding. They also add weight to the vehicle body structure—weight that is avoided when joining using spot welding—which counteracts some of the weight savings achieved primarily by using aluminum workpieces. Furthermore, mechanical fasteners can introduce sites for galvanic corrosion on the aluminum workpiece, since the fasteners are typically made of steel.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Erfindungsgemäß wird ein Fräswerkzeug zum Nacharbeiten asymmetrischer Schweißseitengeometrien von ersten und zweiten Schweißelektroden vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.According to the invention, a milling tool for reworking asymmetric welding side geometries of first and second welding electrodes is presented, which is characterized by the features of claim 1.
Die Konstruktion des Fräswerkzeugs unterliegt einer bestimmten Variabilität, ohne dass es seine Fähigkeit zum Nacharbeiten verliert. Beispielsweise kann jede der einen oder mehreren Fräsfurchen ein längliches Fußstück umfassen, das die Fräsklinge an der Innenoberfläche des Körpers abstützt.The design of the milling tool is subject to a certain degree of variability without losing its ability to rework. For example, each of the one or more milling grooves may include an elongated foot piece that supports the milling blade against the inner surface of the body.
Als weiteres Beispiel für eine spezielle Konstruktion des Fräswerkzeugs kann das Fräselement eine erste Fräsfurche, die eine erste Fräsklinge aufweist, eine zweite Fräsfurche, die eine zweite Fräsklinge aufweist, eine dritte Fräsfurche, die eine dritte Fräsklinge aufweist und eine vierte Fräsfurche, die eine vierte Fräsklinge aufweist, umfassen. Die erste, zweite, dritte und vierte Fräsklinge sind in Umfangsrichtung voneinander derart beabstandet, dass jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen quer zu jeder ihrer zwei in Umfangsrichtung benachbarten Fräsklingen orientiert ist. Zudem enthält jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen. Die ersten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die erste Fräsaufnahme, und die zweiten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die zweite Fräsaufnahme.As another example of a specific design of the milling tool, the milling element may include a first milling groove having a first milling blade, a second milling groove having a second milling blade, a third milling groove having a third milling blade, and a fourth milling groove having a fourth milling blade. The first, second, third, and fourth milling blades are circumferentially spaced from one another such that each of the first, second, third, and fourth milling blades is oriented transversely to each of its two circumferentially adjacent milling blades. Additionally, each of the first, second, third, and fourth milling blades includes axially spaced and opposing first and second shear surfaces. The first shear surfaces of the first, second, third, and fourth milling blades define the first milling receptacle, and the second shear surfaces of the first, second, third, and fourth milling blades define the second milling receptacle.
Wenn das Fräselement des Weiteren die ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen enthält, weisen sowohl die erste Abscherfläche der ersten Fräsklinge als auch die erste Abscherfläche der dritten Fräsklinge, die aufeinander ausgerichtet sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist. Analog weisen sowohl die zweite Abscherfläche der zweiten Fräsklinge als auch die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge, die aufeinander ausgerichtet sind, jedoch quer zu der ersten Abscherfläche der ersten Fräsklinge und der ersten Abscherfläche der dritten Fräsklinge orientiert sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist, und der ferner eine Vielzahl von Eindringrillen umfasst, die sich von der Vorderkante aus über zumindest einen Teil der Strecke bis zu der Hinterkante erstrecken. Die Eindringrillen, die sich über den unteren Endabschnitt der zweiten Abscherfläche der zweiten Fräsklinge und über die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge hinweg erstrecken, können gekrümmt oder gerade verlaufen.When the milling element further includes the first, second, third, and fourth milling blades, both the first shearing surface of the first milling blade and the first shearing surface of the third milling blade, which are aligned with each other, have a lower end portion having an upwardly profiled leading edge and an upwardly profiled trailing edge offset by a positive clearance angle below the leading edge. Similarly, both the second shearing surface of the second milling blade and the second shearing surface of the fourth milling blade, which are aligned with each other but oriented transversely to the first shearing surface of the first milling blade and the first shearing surface of the third milling blade, have a lower end portion having an upwardly profiled leading edge and an upwardly profiled trailing edge offset by a positive clearance angle below the leading edge, and further comprising a plurality of penetration grooves extending from the leading edge at least part of the way to the trailing edge. The penetration grooves extending across the lower end portion of the second shearing surface of the second milling blade and across the second shearing surface of the fourth milling blade may be curved or straight.
Die erste Abscherfläche der ersten und dritten Fräsklingen und die zweite Abscherfläche der zweiten und vierten Fräsklingen können neben ihren jeweiligen unteren Endabschnitten zusätzliche Strukturen aufweisen. Beispielsweise können die erste Abscherfläche von sowohl der ersten als auch der dritten Fräsklinge auch einen oberen Endabschnitt enthalten, der sich von ihrem jeweiligen unteren Endabschnitt aus erstreckt und eine konvexe Gestalt aufweist. Der obere Endabschnitt der ersten Abscherfläche von sowohl der ersten als auch der dritten Fräsklinge weist eine Vorderkante und eine Hinterkante auf. Analog kann die zweite Abscherfläche sowohl der zweiten als auch der vierten Fräsklinge einen oberen Endabschnitt enthalten, der sich von ihrem jeweiligen unteren Endabschnitt aus erstreckt und eine konvexe Gestalt aufweist. Der obere Endabschnitt der zweiten Abscherfläche sowohl der zweiten als auch der vierten Fräsklinge weist eine Vorderkante und eine Hinterkante auf.The first shearing surface of the first and third milling blades and the second shearing surface of the second and fourth milling blades may include additional structures in addition to their respective lower end portions. For example, the first shearing surface of each of the first and third milling blades may also include an upper end portion extending from its respective lower end portion and having a convex shape. The upper end portion of the first shearing surface of each of the first and third milling blades has a leading edge and a trailing edge. Similarly, the second shearing surface of each of the second and fourth milling blades may include an upper end portion extending from its respective lower end portion and having a convex shape. The upper end portion of the second shearing surface of each of the second and fourth milling blades has a leading edge and a trailing edge.
Des Weiteren können spezielle Beispiele für die erste und zweite Schweißseitengeometrie ferner definiert werden, welche von dem Fräswerkzeug nachgearbeitet werden können. Die erste Schweißseitengeometrie kann beispielsweise eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 3 mm und 16 mm und einen Krümmungsradius zwischen 8 mm und 400 mm aufweist. Im Hinblick auf die zweite Schweißseitengeometrie kann diese eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 8 mm und 20 mm und einen Krümmungsradius zwischen 15 mm und 300 mm aufweist, und sie kann ferner zwischen zwei und zehn aufrecht stehende kreisförmige Grate enthalten, die eine Schweißseitenachse umgeben und deren Durchmesser von einem innersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der die Schweißseitenachse unmittelbar umgibt, zu einem äußersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der von der Schweißseitenachse am weitesten entfernt ist, zunimmt. Die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate können auf der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche um eine Distanz von 50 µm bis 1800 µm beabstandet sein und jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate kann eine Grathöhe aufweisen, die im Bereich von 20 µm bis 500 µm liegt. Furthermore, specific examples of the first and second weld side geometries that can be reworked by the milling tool can be further defined. The first weld side geometry can, for example, comprise a spherically curved weld side base surface having a diameter between 3 mm and 16 mm and a radius of curvature between 8 mm and 400 mm. With regard to the second weld side geometry, it can comprise a spherically curved weld side base surface having a diameter between 8 mm and 20 mm and a radius of curvature between 15 mm and 300 mm, and it can further include between two and ten upright circular ridges surrounding a weld side axis and whose diameter increases from an innermost upright circular ridge immediately surrounding the weld side axis to an outermost upright circular ridge furthest from the weld side axis. The upstanding circular burrs may be spaced on the curved weld side base surface by a distance of 50 µm to 1800 µm and each of the upstanding circular burrs may have a burr height ranging from 20 µm to 500 µm.
Eine weitere Ausführungsform eines Fräswerkzeugs, das in der Lage ist, asymmetrische Schweißseitengeometrien von ersten und zweiten Schweißelektroden nachzuarbeiten, enthält einen Körper und ein Fräselement innerhalb des Körpers. Der Körper erstreckt sich der Länge nach entlang einer Mittelachse zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Das Fräselement bildet eine erste Fräsaufnahme, die durch die erste Öffnung an dem ersten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist, und es bildet ferner eine zweite Fräsaufnahme, die durch eine zweite Öffnung an dem zweiten Ende des Körpers hindurch zugänglich ist. Das Fräselement umfasst eine Fräsfurche, die eine Fräsklinge mit axial voneinander beabstandeten und entgegengesetzten ersten und zweiten Abscherflächen enthält, welche zumindest teilweise die erste bzw. zweite Fräsaufnahme definieren. Die erste Abscherfläche umfasst einen unteren Endabschnitt, der zum Fräsen einer ersten Schweißseitengeometrie profiliert ist, welche eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfasst, und die zweite Abscherfläche umfasst einen unteren Endabschnitt, der zum Fräsen einer zweiten Schweißseitengeometrie profiliert ist, welche eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten umfasst, die von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen vorstehen.Another embodiment of a milling tool capable of finishing asymmetric weld side geometries of first and second welding electrodes includes a body and a milling element within the body. The body extends longitudinally along a central axis between a first end and a second end. The milling element defines a first milling receptacle accessible through the first opening at the first end of the body and further defines a second milling receptacle accessible through a second opening at the second end of the body. The milling element includes a milling groove including a milling blade having axially spaced and opposing first and second shearing surfaces that at least partially define the first and second milling receptacles, respectively. The first shear surface includes a lower end portion profiled for milling a first weld face geometry comprising a flat or curved weld face base surface, and the second shear surface includes a lower end portion profiled for milling a second weld face geometry comprising a curved weld face base surface and a series of upstanding circular ridges projecting outwardly from the curved weld face base surface.
Spezielle Beispiele für die erste und zweite Schweißseitengeometrie, die von dem Fräswerkzeug nachgearbeitet werden können, können weiter definiert werden. Die erste Schweißseitengeometrie kann beispielsweise eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 3 mm und 16 mm und einen Krümmungsradius zwischen 8 mm und 400 mm aufweist. Im Hinblick auf die zweite Schweißseitengeometrie kann diese eine sphärisch gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche umfassen, die einen Durchmesser zwischen 8 mm und 20 mm und einen Krümmungsradius zwischen 15 mm und 300 mm aufweist, und sie kann ferner zwischen zwei und zehn aufrecht stehende kreisförmige Grate enthalten, die eine Schweißseitenachse umgeben und deren Durchmesser von einem innersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der die Schweißseitenachse unmittelbar umgibt, zu einem äußersten aufrecht stehenden kreisförmigen Grat, der von der Schweißseitenachse am weitesten entfernt ist, zunimmt. Die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate können auf der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche um eine Distanz von 50 µm bis 1800 µm voneinander beabstandet sein und jeder der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate kann eine Grathöhe aufweisen, die in einem Bereich von 20 µm bis 500 µm liegt.Specific examples of the first and second weld face geometries that can be reworked by the milling tool can be further defined. For example, the first weld face geometry can comprise a spherically curved weld face base surface having a diameter between 3 mm and 16 mm and a radius of curvature between 8 mm and 400 mm. With regard to the second weld face geometry, it can comprise a spherically curved weld face base surface having a diameter between 8 mm and 20 mm and a radius of curvature between 15 mm and 300 mm, and it can further include between two and ten upstanding circular ridges surrounding a weld face axis and increasing in diameter from an innermost upstanding circular ridge immediately surrounding the weld face axis to an outermost upstanding circular ridge furthest from the weld face axis. The upstanding circular burrs may be spaced apart on the curved weld side base surface by a distance of 50 µm to 1800 µm, and each of the upstanding circular burrs may have a burr height ranging from 20 µm to 500 µm.
Die Konstruktion des Fräswerkzeugs unterliegt einer bestimmten Variabilität, ohne dass es seine Fähigkeit zur Nacharbeitung verliert. Beispielsweise kann das Fräselement eine erste Fräsfurche mit einer ersten Fräsklinge, eine zweite Fräsfurche mit einer zweiten Fräsklinge, eine dritte Fräsfurche mit einer dritten Fräsklinge und eine vierte Fräsfurche mit einer vierten Fräsklinge umfassen. Die erste, zweite, dritte und vierte Fräsklinge sind in Umfangsrichtung derart voneinander beabstandet, dass jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen zu jeder von ihren zwei in Umfangsrichtung benachbarten Fräsklingen quer orientiert ist. Zudem enthält jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen. Die ersten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die erste Fräsaufnahme, und die zweiten Abscherflächen der ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen definieren die zweite Fräsaufnahme.The design of the milling tool is subject to a certain degree of variability without losing its ability to be reworked. For example, the milling element can comprise a first milling groove with a first milling blade, a second milling groove with a second milling blade, a third milling groove with a third milling blade, and a fourth milling groove with a fourth milling blade. The first, second, third, and fourth milling blades are circumferentially spaced from one another such that each of the first, second, third, and fourth milling blades is oriented transversely to each of its two circumferentially adjacent milling blades. In addition, each of the first, second, third, and fourth milling blades includes axially spaced and opposing first and second shear surfaces. The first shear surfaces of the first, second, third, and fourth milling blades define the first milling socket, and the second shear surfaces of the first, second, third, and fourth milling blades define the second milling socket.
Wenn das Fräselement die ersten, zweiten, dritten und vierten Fräsklingen enthält, weist des Weiteren sowohl die erste Abscherfläche der ersten Fräsklinge als auch die erste Abscherfläche der dritten Fräsklinge, welche aufeinander ausgerichtet sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, die um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist. Analog weisen sowohl die zweite Abscherfläche der zweiten Fräsklinge als auch die zweite Abscherfläche der vierten Fräsklinge, welche aufeinander ausgerichtet sind, jedoch quer zu der ersten Abscherfläche der ersten Fräsklinge und der ersten Abscherfläche der dritten Fräsklinge orientiert sind, einen unteren Endabschnitt auf, der eine nach oben hin profilierte Vorderkante und eine nach oben hin profilierte Hinterkante aufweist, welche um einen positiven Freiwinkel unter die Vorderkante versetzt ist, und der ferner eine Vielzahl von Eindringrillen umfasst, die sich von der Vorderkante aus über zumindest einen Teil der Strecke bis zu der Hinterkante erstrecken.When the milling element includes the first, second, third, and fourth milling blades, furthermore, both the first shearing surface of the first milling blade and the first shearing surface of the third milling blade, which are aligned with each other, have a lower end portion having an upwardly profiled leading edge and an upwardly profiled trailing edge offset by a positive clearance angle below the leading edge. Similarly, both the second shearing surface of the second milling blade and the second shearing surface of the fourth milling blade, which are aligned with each other but oriented transversely to the first shearing surface of the first milling blade and the first shearing surface of the third milling blade, a lower end portion having an upwardly profiled leading edge and an upwardly profiled trailing edge offset by a positive clearance angle below the leading edge, and further comprising a plurality of penetration grooves extending from the leading edge over at least part of the distance to the trailing edge.
Als weiteres Beispiel für eine spezielle Konstruktion des Fräswerkzeugs kann das Fräselement innerhalb des Körpers auf mehrere verschiedene Weisen abgestützt sein. In einer speziellen Ausführungsform beispielsweise kann die Fräsfurche ein längliches Fußstück umfassen, das die Fräsklinge an der Innenoberfläche des Körpers abstützt.As another example of a specific design of the milling tool, the milling element can be supported within the body in several different ways. In one specific embodiment, for example, the milling groove can include an elongated foot piece that supports the milling blade against the inner surface of the body.
Ein Verfahren zum Nacharbeiten von Schweißelektroden, die asymmetrische Schweißseitengeometrien aufweisen, umfasst in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung mehrere Schritte. Im Speziellen wird ein Fräswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Eine erste Schweißseite einer ersten Schweißelektrode wird in die erste Fräsaufnahme aufgenommen, und eine zweite Schweißseite einer zweiten Schweißelektrode wird in die zweite Fräsaufnahme aufgenommen. Sobald die erste und zweite Schweißseite in die erste bzw. zweite Fräsaufnahme aufgenommen sind, wird das Fräswerkzeug gedreht, um eine erste Schweißseitengeometrie in der ersten Schweißseite und eine zweite Schweißseitengeometrie in der zweiten Schweißseite zu fräsen und wieder herzustellen. Die erste Schweißseitengeometrie umfasst eine ebene oder gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche, und die zweite Schweißseitengeometrie umfasst eine gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche und eine Reihe aufrecht stehender kreisförmiger Grate, die von der gewölbten Schweißseiten-Basisoberfläche aus nach außen vorstehen.A method for reworking welding electrodes having asymmetrical weld face geometries comprises, in accordance with one embodiment of the invention, several steps. Specifically, a milling tool having the features of claim 1 is provided. A first weld face of a first welding electrode is received in the first milling receptacle, and a second weld face of a second welding electrode is received in the second milling receptacle. Once the first and second weld faces are received in the first and second milling receptacles, respectively, the milling tool is rotated to mill and rework a first weld face geometry in the first weld face and a second weld face geometry in the second weld face. The first weld face geometry includes a flat or curved weld face base surface, and the second weld face geometry includes a curved weld face base surface and a series of upstanding circular ridges projecting outwardly from the curved weld face base surface.
Das Verfahren zum Nacharbeiten von Schweißelektroden, die asymmetrische Schweißseitengeometrien aufweisen, kann mit bestimmten Bevorzugungen in die Praxis umgesetzt werden. Beispielsweise kann das Fräswerkzeug mit zwischen einer und zehn vollständigen Umdrehungen um Achsen der ersten und zweiten Schweißseiten herum gedreht werden, so dass eine Materialtiefe im Bereich von 10 µm bis 500 µm von sowohl der ersten Schweißseite als auch der zweiten Schweißseite bei der Wiederherstellung der ersten Schweißseitengeometrie und der zweiten Schweißseitengeometrie entfernt wird. Zudem kann ein Satz von zehn bis einhundert Schweißverbindungen zwischen überlappenden und benachbarten Werkstücken aus Stahl und Aluminium ausgebildet werden, bevor die erste Schweißseite in die erste Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird und die zweite Schweißseite in die zweite Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird. Selbstverständlich können viele andere Variationen des Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen in die Praxis umgesetzt werden.The method for reworking welding electrodes having asymmetrical weld face geometries can be implemented with certain preferences. For example, the milling tool can be rotated between one and ten complete revolutions around axes of the first and second weld faces, such that a material depth in the range of 10 µm to 500 µm is removed from both the first weld face and the second weld face upon restoration of the first weld face geometry and the second weld face geometry. Furthermore, a set of ten to one hundred weld joints can be formed between overlapping and adjacent steel and aluminum workpieces before the first weld face is mounted in the first milling shank of the milling tool and the second weld face is mounted in the second milling shank of the milling tool. Of course, many other variations of the resistance spot welding method can be implemented.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und speziell der ersten Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs;1 is a perspective view of a milling tool in accordance with an embodiment of the present invention and specifically the first milling socket of the milling tool; -
2 ist eine perspektivische Ansicht des in1 dargestellten Fräswerkzeugs, und speziell der zweiten Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs;2 is a perspective view of the1 shown milling tool, and especially the second milling holder of the milling tool; -
3 ist eine Explosionsansicht des in1 - 2 dargestellten Fräswerkzeugs, die einen Körper und ein Fräselement, die voneinander getrennt sind, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;3 is an exploded view of the1 - 2 illustrated milling tool showing a body and a milling element separated from each other in accordance with an embodiment of the invention; -
4 ist eine Querschnittsansicht des in1 - 2 dargestellten Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;4 is a cross-sectional view of the1 - 2 illustrated milling tool in accordance with an embodiment of the invention; -
5 ist eine Draufsicht auf die erste Fräsaufnahme des in1 - 2 dargestellten Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;5 is a top view of the first milling fixture of the1 - 2 illustrated milling tool in accordance with an embodiment of the invention; -
6 ist eine Draufsicht auf die zweite Fräsaufnahme des in1 - 2 dargestellten Fräswerkzeugs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;6 is a top view of the second milling fixture of the1 - 2 illustrated milling tool in accordance with an embodiment of the invention; -
7 ist eine Querschnittsansicht eines Klingenabschnitts von einer der Fräsfurchen entlang von Schnittlinien 7-7 in5 ;7 is a cross-sectional view of a blade portion of one of the milling grooves taken along section lines 7-7 in5 ; -
8 ist eine Querschnittsansicht eines Klingenabschnitts von einer der Fräsfurchen entlang von Schnittlinien 8-8 in6 ;8 is a cross-sectional view of a blade portion of one of the milling grooves taken along section lines 8-8 in6 ; -
9 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der zweiten Abscherflächen des in2 gezeigten Fräselements, in welcher zwei dieser Flächen eine Vielzahl von Eindringrillen definieren;9 is a partially enlarged view of the second shear surfaces of the2 shown milling element, in which two of these surfaces define a plurality of penetration grooves; -
10 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode bzw. Schweißkappe, die eine erste Schweißseitengeometrie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung enthält;10 is a general perspective view of a welding electrode or welding cap incorporating a first welding side geometry in accordance with an embodiment of the invention; -
11 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Schweißelektrode bzw. Schweißkappe, die eine zweite Schweißseitengeometrie enthält, welche sich von der ersten Schweißseitengeometrie unterscheidet, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;11 is a general perspective view of a welding electrode or welding cap including a second welding side geometry that differs from the first welding side ten geometry, in accordance with an embodiment of the invention; -
12 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Schweißseite der in11 gezeigten Schweißelektrode;12 is an enlarged cross-sectional view of the welding side of the11 welding electrode shown; -
13 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Stahl und ein benachbartes Werkstück aus Aluminium enthält, die in überlappender Weise angeordnet sind und zwischen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode liegen, wobei die erste und zweite Schweißelektrode unterschiedliche Schweißseitengeometrien aufweisen;13 is a general cross-sectional view of a workpiece stackup including a steel workpiece and an adjacent aluminum workpiece arranged in an overlapping manner and sandwiched between a first welding electrode and a second welding electrode, the first and second welding electrodes having different weld side geometries; -
14 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, welcher ein Werkstück aus Stahl und ein benachbartes Werkstück aus Aluminium enthält, die in überlappender Weise angeordnet sind und zwischen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode liegen, wobei die erste und zweite Schweißelektrode unterschiedliche Schweißseitengeometrien aufweisen, obwohl hier der Werkstückstapel ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthält (d.h. zwei Werkstücke aus Stahl und ein Werkstück aus Aluminium), in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;14 is a general cross-sectional view of a workpiece stackup including a steel workpiece and an adjacent aluminum workpiece arranged in an overlapping manner and sandwiched between a first welding electrode and a second welding electrode, the first and second welding electrodes having different weld side geometries, although here the workpiece stackup includes an additional steel workpiece (i.e., two steel workpieces and one aluminum workpiece), in accordance with one embodiment of the invention; -
15 ist eine allgemeine Querschnittsansicht eines Werkstückstapels, der ein Werkstück aus Stahl und ein benachbartes Werkstück aus Aluminium enthält, die in überlappender Weise angeordnet sind und zwischen einer ersten Schweißelektrode und einer zweiten Schweißelektrode liegen, wobei die erste und zweite Schweißelektrode unterschiedliche Schweißseitengeometrien aufweisen, obwohl der Werkstückstapel hier ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium enthält (d.h. zwei Werkstücke aus Aluminium und ein Werkstück aus Stahl), in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;15 is a general cross-sectional view of a workpiece stackup including a steel workpiece and an adjacent aluminum workpiece arranged in an overlapping manner and sandwiched between a first welding electrode and a second welding electrode, the first and second welding electrodes having different weld side geometries, although the workpiece stackup here includes an additional aluminum workpiece (i.e., two aluminum workpieces and one steel workpiece), in accordance with one embodiment of the invention; -
16 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, die in13 gezeigt sind, während des Durchleitens eines elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch und wobei das Durchleiten des elektrischen Stroms ein Schmelzen des Werkstücks aus Aluminium, welches benachbart zu dem Werkstück aus Stahl liegt, und das Erzeugen eines Schmelzbads aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks aus Aluminium verursacht hat;16 is a general cross-sectional view of the workpiece stack and welding electrodes used in13 are shown, during the passage of an electric current between the welding electrodes and through the stack, and wherein the passage of the electric current has caused melting of the aluminum workpiece adjacent to the steel workpiece and the creation of a molten aluminum pool within the aluminum workpiece; -
17 ist eine allgemeine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißelektroden, die in13 gezeigt sind, nachdem das Durchleiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden und durch den Stapel hindurch beendet wurde und wobei sich das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu einer Schweißverbindung erstarrt ist, welche die benachbarten Werkstücke aus Aluminium und Stahl durch eine Schweißverbindung miteinander verbindet; und17 is a general cross-sectional view of the workpiece stack and welding electrodes used in13 are shown after the passage of the electric current between the welding electrodes and through the stack has ceased and wherein the molten pool of molten aluminium has solidified into a weld joint which joins the adjacent workpieces of aluminium and steel together by a weld joint; and -
18 stellt ein Nacharbeiten von zumindest den Schweißseiten der ersten und zweiten Schweißelektroden dar, wobei die erste Schweißelektrode in die erste Fräsaufnahme des Fräswerkzeugs aufgenommen wird und die zweite Schweißelektrode in die zweite Fräsaufnahme aufgenommen wird.18 represents a reworking of at least the welding sides of the first and second welding electrodes, wherein the first welding electrode is received in the first milling holder of the milling tool and the second welding electrode is received in the second milling holder.
GENAUE BESCHREIBUNGEXACT DESCRIPTION
Es wird ein Fräswerkzeug offenbart, welches gleichzeitig asymmetrische Schweißseitengeometrien von zwei Schweißelektroden fräsen und wiederherstellen kann, die unterschiedlichen Verschlechterungsmechanismen unterworfen sind. Das Fräswerkzeug kann als Teil eines Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels verwendet werden, der benachbarte und überlappende Werkstücke aus Stahl und Aluminium enthält. Im Speziellen können eine erste Schweißelektrode mit einer ersten Schweißseite und eine zweite Schweißelektrode mit einer zweiten Schweißseite verwendet werden, um einen elektrischen Strom an einer Schweißanlage durch den Werkstückstapel hindurch zu leiten. Die Geometrie der ersten Schweißseite und die Geometrie der zweiten Schweißseite sind aufgrund der Notwendigkeit zum Kompensieren der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der benachbarten Werkstücke aus Stahl und Aluminium asymmetrisch. Im Lauf der Zeit verschlechtern sich die erste und zweite Schweißseite in einem derartigen Ausmaß, dass Punktschweißoperationen nachteilig beeinflusst werden. Um dieses Problem anzusprechen, kann das Fräswerkzeug verwendet werden, um sowohl die erste als auch die zweite Schweißseite der ersten bzw. zweiten Schweißelektrode periodisch nachzuarbeiten. Ein Nacharbeiten der Schweißseiten umfasst das Aufnehmen der ersten Schweißseite in eine erste Fräsaufnahme und das Aufnehmen der zweiten Schweißseite in eine zweite Fräsaufnahme, und dann das Drehen des Fräswerkzeugs um die Achsen der ersten und zweiten Schweißseiten herum, um die Schweißseiten zu fräsen und ihre Geometrien wiederherzustellen.A milling tool is disclosed that can simultaneously mill and restore asymmetric weld face geometries of two welding electrodes subject to different deterioration mechanisms. The milling tool can be used as part of a method for resistance spot welding a workpiece stackup containing adjacent and overlapping steel and aluminum workpieces. Specifically, a first welding electrode having a first weld face and a second welding electrode having a second weld face can be used to pass an electric current through the workpiece stackup at a welding station. The geometry of the first weld face and the geometry of the second weld face are asymmetric due to the need to compensate for the different physical properties of the adjacent steel and aluminum workpieces. Over time, the first and second weld faces deteriorate to such an extent that spot welding operations are adversely affected. To address this problem, the milling tool can be used to periodically rework both the first and second weld faces of the first and second welding electrodes, respectively. Remachining the weld sides involves receiving the first weld side in a first milling fixture and receiving the second weld side in a second milling fixture, and then rotating the milling tool around the axes of the first and second weld sides to mill the weld sides and restore their geometries.
Ein Fräswerkzeug und ein Verfahren zum Verwenden des Fräswerkzeugs im Kontext des Widerstandspunktschweißens eines Werkstückstapels, der benachbarte und überlappende Werkstücke aus Stahl und Aluminium enthält, sind mit Bezug auf
Eine bevorzugte Ausführungsform des Fräswerkzeugs ist in
Der Körper 12 und das Fräselement 14 sind aus einem harten Material konstruiert, das in der Lage ist, Nacharbeitsoperationen an Schweißelektroden auszuhalten. Beispielsweise kann sowohl der Körper 12 als auch das Fräselement 14 aus einem Werkzeugstahl ausgebildet sein, etwa einem S7- oder M2-Werkzeugstahl. Außerdem kann das Fräselement 14 von dem Körper 12 auf eine Vielzahl von Weisen starr festgehalten werden, welche verhindern, dass diese zwei Abschnitte des Werkzeugs 10 sich relativ zueinander bewegen, wenn das Werkzeug 10 in Betrieb ist. Entgegen der Erfindung können der Körper 12 und das Fräselement 14 diskrete Einzelstücke sein, die zusammengesetzt werden und aneinander befestigt werden, um das Fräswerkzeug 10 herzustellen. Dies kann auf eine Anzahl von Weisen erreicht werden, welche ein mechanisches Verriegeln, ein Fusionsschweißen, Hartlöten, Löten, Klebeverbinden oder eine Kombination beliebiger dieser Techniken umfassen. Erfindungsgemäß sind jedoch der Körper 12 und das Fräselement 14 einstückig ausgebildet, z.B. aus einem einzigen massiven Stück aus Werkzeugstahl maschinell hergestellt, um ein einziges einstückiges Stück in dem Sinn zu bilden, dass der Körper 12 und das Fräselement 14 zuvor nicht als diskrete Gegenstände existiert haben.The
Der Körper 12 enthält eine kreisringförmige Wand 36, die sich zwischen den axial beabstandeten ersten und zweiten Enden 22, 26 des Körpers 12 erstreckt. Die kreisringförmige Rand 36 weist eine Innenoberfläche 38 und eine Außenoberfläche 40 auf. Die Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 definiert das Durchgangsloch 16, welches durch den Körper 12 einschließlich der ersten und zweiten Öffnung 20, 24 hindurch verläuft. Die Innenoberfläche 38 weist eine Basisoberfläche 42 und eine oder mehrere abgesenkte Oberflächen 44 auf, die in die kreisringförmige Wand 36 hinein abgesenkt sind, um einen oder mehrere Haltekanäle 46 zu skizzieren. Der eine oder die mehreren Haltekanäle 46 dienen zum Festhalten des Fräselements 14 innerhalb des Durchgangslochs 16 in dem Fall, dass der Körper 12 und das Fräselement 14 entgegen der Erfindung nicht einstückig ausgebildet sind. Und die Haltekanäle 46 können, wie hier in
Die Außenoberfläche 40 der kreisringförmigen Wand 36 enthält eine integrierte Haltemutter 48 und einen integrierten radialen Flansch 50. Die integrierte Haltemutter 48 steht aus einem Mittelteil der kreisringförmigen Wand 36 zwischen dem ersten und zweiten Ende 22, 26 des Körpers 12 hervor und weist eine Vielzahl ebener Oberflächen 52 auf, die sich an umlaufend voneinander beabstandeten axialen Kanten 54 schneiden (
Das Fräselement 14 enthält eine oder mehrere Fräsfurchen 58, welche die erste und zweite Fräsaufnahme 32, 34 bilden. Die eine oder die mehreren Fräsfurchen 58 sind konstruiert, um Schweißseiten nachzuarbeiten, die in die erste und zweite Fräsaufnahme 32, 34 aufgenommen werden, und um asymmetrische Geometrien an diesen Schweißseiten durch eine Abscheraktion wiederherzustellen, die sich ergibt, wenn das Fräswerkzeug 10 um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 herumgedreht wird. Jede der Fräsfurchen 58 enthält eine Klinge 60, die an der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 durch ein längliches Fußstück 62 abgestützt wird, welches die gesamte axiale Dimension der kreisringförmigen Wand 36 überspannt. Als Teil des Fräselements 14 können eine bis vier Fräsfurchen 58 vorhanden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie hier in
In der gezeigten Ausführungsform, ist jedes der länglichen Fußstücke 62a, 62b, 62c, 62d axial in einen der axialen Haltekanäle 46a der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 eingeführt und wird durch Reibung aufgrund der genauen komplementären Form der Haltekanäle 46a und der länglichen Fußstücke 62 fest an Ort und Stelle gehalten, wie in
Die Klingen 60a, 60b, 60c, 60d der Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d stehen von der Innenoberfläche 38 der kreisringförmigen Wand 36 nach innen vor und sind zentral innerhalb des Durchgangslochs 16 verbunden. Die Klingen 60a, 60b, 60c, 60d sind in Umfangsrichtung voneinander in regelmäßigen Intervallen um die Mittelachse 18 herum derart beabstandet, dass jede Klinge 60 zu jeder ihrer zwei in Umfangsrichtung benachbarten Klingen 60 quer orientiert ist. Jede der Klingen 60a, 60b, 60c, 60d enthält axial voneinander beabstandete und entgegengesetzte erste und zweite Abscherflächen 68, 70. Speziell enthält in dieser Ausführungsform die Klinge 60a der ersten Fräsfurche 58a eine erste Abscherfläche 68a nahe bei dem ersten Ende 22 des Körpers 12 und eine zweite Abscherfläche 70a nahe bei dem zweiten Ende 26 des Körpers 12. Die Klingen 60b, 60c, 60d der anderen Fräsfurchen 58b, 58c, 58d enthalten analog angeordnete erste und zweite Abscherflächen 68b, 70b, 68c, 70c, 68d, 70d relativ zu den ersten und zweiten Enden 22, 26 des Körpers 12. Folglich werden in dieser Ausführungsform die von den Fräsfurchen 58 gebildeten ersten und zweiten Fräsaufnahmen 32, 34 gemeinsam durch die ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d bzw. die zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d definiert.The
Die ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d sind profiliert, um eine Elektrodenschweißseite einer ersten Geometrie zu fräsen und wiederherzustellen, und die zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d sind profiliert, um eine Elektrodenschweißseite einer zweiten Geometrie, die sich von der ersten Geometrie unterscheidet, zu fräsen und wiederherzustellen. Die unterschiedlichen Profile der ersten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d und der zweiten Abscherflächen 70a, 70b, 70c, 70d ermöglichen, dass das Fräswerkzeug 10 die erste Schweißseitengeometrie an einer Schweißelektrode wiederherstellt, die in die erste Fräsaufnahme 32 aufgenommen wurde, und gleichzeitig, dass die zweite Schweißseitengeometrie für eine weitere Schweißelektrode, die in die zweite Fräsaufnahme 34 aufgenommen wurde, wiederherstellt, während das Werkzeug 10 um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 herum gedreht wird. Auf diese Weise ist das Fräswerkzeug 10 in der Lage, zwei Schweißelektroden mit asymmetrischen Schweißseitengeometrien nachzuarbeiten, was eine nützliche Nacharbeitungspraxis ist, wenn ein Widerstandspunktschweißen mit erheblich unterschiedlichen Schweißelektroden durchgeführt wird, beispielsweise etwa, wenn der Werkstückstapel, der geschweißt wird, ein Werkstück aus Aluminium und ein benachbartes Werkstück aus Stahl enthält.The
Die ersten und zweiten Schweißseitengeometrien, die von den ersten Abscherflächen 68 bzw. den zweiten Abscherflächen 70 gefräst werden, sind für ein Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels entworfen, der benachbarte und überlappende Werkstücke aus Stahl und Aluminium enthält. Der Entwurf der Schweißseitengeometrien beruht zu einem großen Teil auf den materialtechnisch unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Werkstücks aus Stahl und des Werkstücks aus Aluminium, die miteinander punktverschweißt werden. Im speziellen ist die erste Schweißseitengeometrie, die auf der stahlseitigen Schweißelektrode eingesetzt wird, entworfen, um einen Strom innerhalb des Werkstücks aus Stahl (relativ zu dem Werkstück aus Aluminium) zu konzentrieren und um außerdem eine bestimmte Verformung des Werkstücks aus Stahl während eines elektrischen Stromflusses zu verursachen. Dies nutzt vorteilhaft die geringe Leitfähigkeit - sowohl thermisch als auch elektrisch - des Werkstücks aus Stahl sowie dessen erhöhten Schmelzpunkt relativ zu dem Werkstück aus Aluminium. In einer etwas anderen Weise ist die zweite Schweißseitengeometrie, die an der aluminiumseitigen Elektrode verwendet wird, entworfen, um die hitzebeständigen Oxidschichten auf dem Werkstück aus Aluminium aufzubrechen und um das Schmelzbad mit Aluminiumschmelze zu enthalten, das innerhalb des Werkstücks aus Aluminium anwächst. Sowohl die Größe als auch die Gestalt der zweiten Schweißseitengeometrie weisen eine Auswirkung auf den Inhalt des Schmelzbads mit Aluminiumschmelze beim Anwachsen auf.The first and second weld face geometries, milled from the first shear surfaces 68 and the second shear surfaces 70, respectively, are designed for resistance spot welding a workpiece stackup containing adjacent and overlapping steel and aluminum workpieces. The design of the weld face geometries is based in large part on the materially different physical properties of the steel workpiece and the aluminum workpiece being spot welded together. Specifically, the first weld face geometry, employed on the steel-side welding electrode, is designed to concentrate a current within the steel workpiece (relative to the aluminum workpiece) and also to cause a certain deformation of the steel workpiece during electrical current flow. This advantageously utilizes the low conductivity—both thermal and electrical—of the steel workpiece as well as its elevated melting point relative to the aluminum workpiece. In a slightly different way, the second weld face geometry used on the aluminum-side electrode is designed to break up the refractory oxide layers on the aluminum workpiece and to contain the molten aluminum pool growing within the aluminum workpiece. Both the size and shape of the second weld face geometry affect the content of the molten aluminum pool as it grows.
Mit Bezug nun auf
Der obere Endabschnitt 74 der ersten Abscherfläche 68 weist eine konvexe Gestalt auf und erstreckt sich von dem unteren Endabschnitt 72 zu dem länglichen Fußstück 62 der Fräsfurche 58. Der obere Endabschnitt 74 weist eine Vorderkante 82 und eine Hinterkante 84 auf. Diese zwei Kanten 82, 84 können um einen positiven Freiwinkel wie der untere Endabschnitt 72 versetzt sein, müssen es aber nicht unbedingt, da der obere Endabschnitt 74 nicht unbedingt am Fräsen der ersten Schweißseitengeometrie beteiligt ist. Stattdessen dient der obere Endabschnitt 74 während einer Drehung des Fräswerkzeugs 10 um die Achse 18 des Durchgangslochs 16 herum zum Zentrieren und Führen der Schweißelektrode hinab zu dem unteren Endabschnitt 72 hin. Wenn eine Schweißelektrode in die erste Fräsaufnahme 32 aufgenommen wird und das Fräswerkzeug 10 gedreht wird, um die erste Schweißseitengeometrie wiederherzustellen, kommt der obere Endabschnitt 74 der Abscherfläche 68 in der Tat typischerweise nicht in Kontakt mit den Nachbarregionen der Schweißelektrode, die sich außerhalb der Schweißseite und des Übergangsansatzes befinden, und fräst diese daher nicht.The
Hier enthalten in der Ausführungsform von
Eine Schweißelektrode 200 (die auch als die „erste Schweißelektrode 200“ bezeichnet wird), welche die erste Schweißseitengeometrie enthält und innerhalb der ersten Fräsaufnahme 32 durch die ersten Abscherflächen 68 der einen oder der mehreren Fräsfurchen 58 nachgearbeitet werden kann, ist in
Die Schweißseite 204 weist vorzugsweise einen an ihrem Umfang 2040 gemessenen Durchmesser 2042 auf, der in dem Bereich von 3 mm bis 16 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 4 mm bis 8 mm liegt. Im Hinblick auf ihre Gestalt enthält die Schweißseite 204 eine Schweißseiten-Basisoberfläche 210, die eben oder gewölbt sein kann. Wenn die Schweißseiten-Basisoberfläche 210 gewölbt ist, steigt sie von dem Umfang 2040 der Schweißseite 204 nach oben und nach innen an, um eine nach oben gekrümmte konvexe Gestalt zu erreichen. Beispielsweise kann die Schweißseiten-Basisoberfläche 210 in einer speziellen Ausführungsform sphärisch dadurch gewölbt sein, dass sie ein sphärisches Profil mit einem Krümmungsradius aufweist, der vorzugsweise in dem Bereich von 8 mm bis 400 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 25 mm bis 100 mm liegt. Die Geometrie der Schweißseite 204 - unabhängig davon, ob sie eine ebene oder gewölbte Gestalt mit ihrem vorgeschriebenen Durchmesser 2042 aufweist - kann gefräst und wiederhergestellt werden, indem die verschlechterte Schweißseite 204 in die erste Fräsaufnahme 32 des Fräswerkzeugs 10 aufgenommen wird und dann das Werkzeug 10 um eine Achse 212 der Schweißseite 204 herum gedreht wird. Auf diese Weise scheren die ersten Abscherflächen 68 der einen oder der mehreren Fräsfurchen 58 Schweißseitenmaterial ab, um neues Schweißseitenmaterial freizulegen und die erste Schweißseitengeometrie wieder herzustellen.The
Die erste Schweißelektrode 200 kann aus einem beliebigen elektrisch und thermisch leitfähigen Material aufgebaut sein, das für Punktschweißanwendungen geeignet ist und das beim Schweißen eine Verschlechterung erfahren kann. Beispielsweise kann die erste Schweißelektrode 200 aus einer Kupferlegierung aufgebaut sein, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 80% IACS oder besonders bevorzugt mindestens 90% IACS, und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK oder besonders bevorzugt mindestens 350 W/mK aufweist. Ein spezielles Beispiel für eine Kupferlegierung, die für die erste Schweißelektrode 200 verwendet werden kann, ist eine Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr-Legierung), die etwa 0,10 bis etwa 0,20 Massenanteil Zirkon und ansonsten Kupfer enthält. Kupferlegierungen, welche diese Komponentenzusammensetzung erfüllen und als C15000 bezeichnet werden, sind bevorzugt. Andere Kupferlegierungszusammensetzungen sowie andere Metallzusammensetzungen, die hier nicht explizit erwähnt werden, welche geeignete mechanische Eigenschaften sowie Eigenschaften der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit besitzen, können ebenfalls verwendet werden, welche beispielsweise eine Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr-Legierung) C18200, eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr-Legierung) C18150 oder einem hitzebeständigen Metallverbund, etwa eine Wolfram-Kupfer-Metallverbund umfassen.The
Mit Bezug nun auf
Wie in
Die Eindringrillen 96 können sich von der Vorderkante 90 über die Abscherfläche 70 hinweg unter einem positiven Freiwinkel erstrecken, der gleich dem Freiwinkel der zweiten Abscherfläche 70 ist oder sich davon unterscheidet. Insbesondere kann der positive Freiwinkel der Eindringrillen 96 von der Vorderkante 90 zu der Hinterkante 92 in einem Bereich von 1,5° bis 20° oder enger gefasst von 5° bis 15° liegen. Wenn sich die Eindringrillen 96 gerade über die zweite Abscherfläche 70 hinweg erstrecken, wie in
Der obere Endabschnitt 88 der zweiten Abscherfläche 70 weist eine konvexe Gestalt auf und erstreckt sich von dem unteren Endabschnitt 86 bis zu dem länglichen Fußstück 62 der Fräsfurche 58. Der obere Endabschnitt 88 weist eine Vorderkante 98 und eine Hinterkante 100 auf. Diese zwei Kanten 98, 100 können um einen positiven Freiwinkel wie in dem unteren Endabschnitt 86 versetzt sein, müssen dies aber nicht unbedingt, da der obere Endabschnitt 88 nicht unbedingt am Fräsen der zweiten Schweißseitengeometrie beteiligt ist. Stattdessen dient der obere Endabschnitt 88 wie zuvor während einer Drehung des Fräswerkzeugs 10 um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 herum zum Zentrieren und Führen der Schweißelektrode nach unten zu dem unteren Endabschnitt 86 hin. Wenn eine Schweißelektrode in die zweite Fräsaufnahme 34 aufgenommen wird und das Fräswerkzeug 10 gedreht wird, um die zweite Schweißseitengeometrie wiederherzustellen, kommt der obere Endabschnitt 88 der Abscherfläche 70 in der Tat typischerweise nicht in Kontakt mit den benachbarten Regionen der Schweißelektrode, die außerhalb der Schweißseite und des Übergangsansatzes liegen, und fräst diese daher nicht.The
In der Ausführungsform von
Eine Schweißelektrode 220 (auch als die „zweite Schweißelektrode 220“ bezeichnet), welche die zweite Schweißseitengeometrie enthält und innerhalb der zweiten Fräsaufnahme 34 durch die zweiten Abfräsflächen 70 der einen oder mehreren Fräsfurchen 58 nachgearbeitet werden kann, ist in
Die Schweißseite 224 weist vorzugsweise einen Durchmesser 2242 auf, welcher an ihrem Umfang 2240 gemessen wird und in dem Bereich von 8 mm bis 20 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 10 mm bis 15 mm liegt. Im Hinblick auf ihre Gestalt enthält die Schweißseite 224 eine Schweißseiten-Basisoberfläche 230, die gewölbt ist. Folglich steigt die Schweißseiten-Basisoberfläche 230 von dem Umfang 2240 der Schweißseite 224 aus nach oben und nach innen hin an, um eine nach oben hin gekrümmte konvexe Gestalt zu erreichen. Beispielsweise kann die Schweißseiten-Basisoberfläche 230 in einer speziellen Ausführungsform insofern sphärisch gewölbt sein, als sie ein sphärisches Profil mit einem Krümmungsradius aufweist, der vorzugsweise in dem Bereich von 15 mm bis 300 mm oder enger gefasst in dem Bereich von 20 mm bis 50 mm liegt. Darüber hinaus enthält die Schweißseite 224 eine Reihe von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232, die von der Schweißseiten-Basisoberfläche 230 aus nach außen vorstehen. Diese kreisförmigen Grate 232 ermöglichen, dass die zweite Schweißelektrode 220 einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt mit einer Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium herstellt, indem sie die mechanisch festen und elektrisch isolierenden hitzebeständigen Oxidschichten belastet und durchbricht, welche die Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium typischerweise beschichten.The
Die Reihen von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232 sind vorzugsweise um eine Achse 234 der Schweißseite 224 herum zentriert und umgeben diese. Die Schweißseiten-Basisoberfläche 230, von welcher aus die Grate 232 vorstehen, kann 50% oder mehr und vorzugsweise zwischen 50% und 80% des Oberflächenbereichs der Schweißseite 224 umfassen. Der verbleibende Oberflächenbereich ist den Reihen von aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232 zugeordnet, welche vorzugsweise zwischen zwei und zehn Grate 232 oder enger gefasst zwischen drei und fünf Grate 232 umfassen. Die mehreren aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 sind auf der Schweißseiten-Basisoberfläche 230 voneinander radial derart beabstandet, dass die aufrecht stehenden Grate 232 einen größeren Durchmesser aufweisen, wenn man sich von dem innersten aufrecht stehenden Grat 232a (
Die Größe und Gestalt der aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 unterliegen einer bestimmten Variabilität, ohne dass sie ihre Fähigkeit zum Nacharbeiten verlieren. In einer Ausführungsform, die am besten in
Die Geometrie der Schweißseite 224 - im Speziellen die gewölbte Schweißseiten-Basisoberfläche 230 mit den aufrecht stehenden kreisförmigen Graten 232 und dem vorgeschriebenen Durchmesser 2242 der Schweißseite 224 - kann durch Aufnehmen der verschlechterten Schweißseite 224 in die zweite Fräsaufnahme 34 des Fräswerkzeugs 10 und dann durch Drehen des Werkzeugs 10 um die Achse 234 der Schweißseite 224 herum gefräst und wiederhergestellt werden. Auf diese Weise werden die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 der Schweißseite 224 in die Eindringrillen 96, die sich zumindest über einen Teil der Strecke der zweiten Abscherflächen 70 hinweg der einen oder mehreren Fräsfurchen 58 erstrecken, eingerastet, und die Drehung des Fräswerkzeugs 10 schert Schweißseitenmaterial ab, um neues Schweißseitenmaterial freizulegen und die zweite Schweißseitengeometrie wiederherzustellen. Die ersten und zweiten Schweißseitengeometrien der ersten und zweiten Schweißelektroden 200, 220 können durch Drehen des Fräswerkzeugs 10 gleichzeitig wiederhergestellt werden, während sowohl die erste Schweißseite 204 als auch die zweite Schweißseite 224 in die erste bzw. zweite Fräsaufnahme 32, 34 aufgenommen sind.The geometry of the weld face 224—specifically, the curved weld
Wie die erste Punktschweißelektrode 200 kann auch die zweite Schweißelektrode 220 aus einem beliebigen elektrisch und thermisch leitfähigen Material aufgebaut sein, das für Punktschweißanwendungen geeignet ist und das beim Schweißen eine Verschlechterung erleiden kann. Beispielsweise kann die zweite Schweißelektrode 220 aus einer Kupferlegierung aufgebaut sein, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 80% IACS oder besonders bevorzugt von mindestens 90% IACS und eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 300 W/mK oder besonders bevorzugt von mindestens 350 W/mK aufweist. Wie zuvor ist ein spezielles Beispiel für eine Kupferlegierung, die für die zweite Schweißelektrode 220 verwendet werden kann, eine Kupfer-Zirkon-Legierung (CuZr-Legierung), die etwa 0,10 bis etwa 0,20 % Massenanteil Zirkon und ansonsten Kupfer enthält. Es sind Kupferlegierungen bevorzugt, die diese Bestandteilzusammensetzung erfüllen und als C15000 bezeichnet werden. Es können außerdem andere Zusammensetzungen von Kupferlegierungen sowie andere Metallzusammensetzungen, die hier nicht explizit aufgeführt sind, verwendet werden, welche geeignete mechanische Eigenschaften sowie Eigenschaften der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit besitzen und die beispielsweise eine Kupfer-Chrom-Legierung (CuCr-Legierung) C18200, eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr-Legierung) C18150 oder einen hitzebeständigen Metallverbund, etwa einen Wolfram-Kupfer-Metallverbund, umfassen.Like the first
Es ist festzustellen, dass andere Fräsfurchenkonstruktionen, die konstruiert sind, um die asymmetrischen ersten und zweiten Schweißseitengeometrien nachzuarbeiten, selbstverständlich möglich sind und als eine Alternative für die Fräsfurchen 58a, 58b, 58c, 58d - mit ihren entgegengesetzten ersten und zweiten Abscherflächen 68a, 68b, 68c, 68d, 70a, 70b, 70c, 70d - die in den Figuren gezeigt und vorstehend beschrieben sind, verwendet werden können. Das Fräselement 14 kann beispielsweise nur eine Fräsfurche 58 mit einer ersten Abscherfläche 68 und einer zweiten Abscherfläche 70 enthalten. Die axial voneinander beabstandeten ersten und zweiten Abscherflächen 68, 70 können die vorstehend beschriebenen unteren Endabschnitte 72, 86 enthalten. In einem anderen Beispiel kann das Fräselement 14 zwei entgegengesetzte Fräsfurchen 58 enthalten, von denen jede eine erste Abscherfläche 68 und eine zweite Abscherfläche 70 aufweist. Die ersten Abscherflächen 68 und die zweiten Abscherflächen 70 der entgegengesetzten Fräsfurchen 58 können auf die gleiche Weise aufgebaut sein wie die vorstehend beschriebenen Oberflächen 68a, 68c bzw. Oberflächen 70b, 70d.It should be appreciated that other milling groove designs designed to accommodate the asymmetric first and second weld side geometries are, of course, possible and may be used as an alternative to the milling
Das Fräswerkzeug 10 kann verwendet werden, um nach Bedarf ein Paar Schweißelektroden nachzuarbeiten, die am Widerstandspunktschweißen eines Werkstückstapels 300 beteiligt sind, der einander unähnliche Werkstücke enthält, wie in
Das Werkstück 306 aus Stahl enthält ein Stahlsubstrat mit einer beliebigen einer großen Vielfalt von Festigkeiten und Graden, das entweder beschichtet oder nicht beschichtet (d.h. blank) ist. Das beschichtete oder nicht beschichtete Stahlsubstrat kann heißgewalzt oder kaltgewalzt sein und kann aus einem Stahl bestehen, etwa einem Weichstahl, einem von Zwischengitteratomen freien Stahl, einem sintergehärteten Stahl, einem niedriglegierten, hochfesten Stahl (HSLA-Stahl), einem Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einem Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einem Martensit-Stahl (MART-Stahl), einem Stahl mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP-Stahl), einem Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und einem Bor-Stahl, etwa wenn das Werkstück 306 aus Stahl einen druckgehärteten Stahl (PHS-Stahl) enthält. Wenn das Stahlsubstrat beschichtet ist, enthält es vorzugsweise eine Oberflächenschicht aus Zink (z.B. feuerverzinkt oder Elektrogalvanisierung) aus Zink-Eisen (galvanisiert), aus einer Zink-NickelLegierung, aus Nickel, aus Aluminium oder aus einer Aluminium-Silizium-Legierung. Der Begriff „Werkstück aus Stahl“ umfasst folglich, so wie er hier verwendet wird, eine große Vielfalt von Stahlsubstraten, beschichtet oder nicht beschichtet, mit verschiedenen Graden und Festigkeiten und er umfasst ferner diejenigen, die Behandlungen vor dem Schweißen unterzogen wurden, wie Ausglühen, Abschrecken und/oder Tempern, etwa in der Produktion von druckgehärtetem Stahl. Unter Berücksichtigung der Dicke des Stahlsubstrats und einer beliebigen Oberflächenbeschichtung, die vorhanden sein kann, weist das Werkstück 306 aus Stahl eine Dicke 3060 auf, die im Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm und enger gefasst von 0,6 mm bis 2,5 mm liegt, zumindest am Schweißort 312.The 306 steel workpiece includes a steel substrate having any of a wide variety of strengths and grades, which is either coated or uncoated (i.e., bare). The coated or uncoated steel substrate may be hot-rolled or cold-rolled and may be made of a steel such as a mild steel, a free-interstitial steel, a sinter-hardened steel, a low-alloy high-strength (HSLA) steel, a two-phase (DP) steel, a complex-phase (CP) steel, a martensite (MART) steel, a transformation-induced plasticity (TRIP) steel, a twinning-induced plasticity (TWIP) steel, and a boron steel, such as when the 306 steel workpiece includes a pressure-hardened (PHS) steel. If the steel substrate is coated, it preferably includes a surface layer of zinc (e.g., hot-dip galvanized or electrogalvanized), zinc-iron (galvanized), a zinc-nickel alloy, nickel, aluminum, or an aluminum-silicon alloy. Thus, as used herein, the term "steel workpiece" encompasses a wide variety of steel substrates, coated or uncoated, of various grades and strengths, and further includes those that have undergone pre-welding treatments such as annealing, quenching, and/or tempering, as in the production of pressure-hardened steel. Taking into account the thickness of the steel substrate and any surface coating that may be present, the
Das Werkstück 308 aus Aluminium enthält ein Aluminiumsubstrat, das entweder beschichtet oder nicht beschichtet (d.h. blank) ist. Das Aluminiumsubstrat kann aus einem nicht legierten Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 % Masseanteil Aluminium enthält. Einige beachtenswerte Aluminiumlegierungen, welche das beschichtete oder nicht beschichtete Aluminiumsubstrat bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Das Aluminiumsubstrat enthält, wenn es beschichtet ist, vorzugsweise einen Oberflächenschicht aus seinen nativen hitzebeständigen Oxidschichten oder alternativ kann es eine Oberflächenschicht aus Zink, Zinn oder einer Metalloxid-Konversionsschicht enthalten, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht, wie in
Das Aluminiumsubstrat des Werkstücks 308 aus Aluminium kann in bearbeiteter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Beispielsweise kann das Aluminiumsubstrat aus einer Blattschicht einer bearbeiteten Aluminiumlegierung einer 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- oder 7xxx-Reihe, einem Extrusionsartikel, einem Schmiedeartikel oder einem anderen bearbeiteten Artikel bestehen. Alternativ kann das Aluminiumsubstrat aus einem Aluminiumlegierungsguss einer 4xx.x-, 5xx.x- oder 7xx.x-Reihe bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, welche das Aluminiumsubstrat bilden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Aluminium-Magnesium-Legierungen AA5182 und AA5754, Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen AA6011 und AA6022, Aluminium-Zink-Legierungen AA7003 und AA7055 und eine Aluminium-Spritzgusslegierung Al-10Si-Mg. Das Aluminiumsubstrat kann falls gewünscht ferner in einer Vielfalt von Härtestufen verwendet werden, die geglüht (O), gehärtet (H) und lösungsgeglüht (T) umfassen. Der Begriff „Werkstück aus Aluminium“ umfasst daher, so wie er hier verwendet wird, nicht legiertes Aluminium und eine große Vielfalt von Aluminiumlegierungssubstraten, beschichtet oder unbeschichtet, in unterschiedlichen zum Punktschweißen geeigneten Formen, welche bearbeitete Blattschichten, Extrusionen, Schmiedevorgänge usw. sowie Gießvorgänge umfassen, und er enthält ferner diejenigen, die Behandlungen vor dem Schweißen unterzogen wurden, etwa Glühen, Härten und Lösungsglühen.The aluminum substrate of the
Die Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl und die Oberfläche 316 des Werkstücks aus Aluminium, welche die erste und zweite Seite 302, 304 des Werkstückstapels 300 bereitstellen, können durch die benachbarten und sich überlappenden Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium präsentiert sein. Wenn die zwei Werkstücke 306, 308 beispielsweise zum Punktschweißen in dem Kontext der in
Der Begriff „Stoßschnittstelle 310“ wird in der vorliegenden Erfindung in weitem Sinn verwendet und soll Instanzen mit direktem und indirektem Kontakt zwischen den Stoßflächen 322, 326 der benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium umfassen. Die Stoßflächen 322, 326 stehen im direkten Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinandergrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind. Die Stoßflächen 322, 326 stehen in indirektem Kontakt miteinander, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind - und folglich nicht die Art des physikalischen Aneinandergrenzens an der Schnittstelle erfahren, die man bei direktem Kontakt vorfindet - jedoch befinden sie sich in einer ausreichend engen Nähe zueinander, dass ein Widerstandspunktschweißen immer noch durchgeführt werden kann. Der indirekte Kontakt zwischen den Stoßflächen 322, 326 der Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium ergibt sich typischerweise, wenn eine optionale (nicht gezeigte) dazwischenliegende Materialschicht zwischen den Stoßflächen 322, 326 aufgebracht wird, bevor die Werkstücke 306, 308 beim Ausbilden des Werkstückstapels 300 übereinander gelegt werden.The term "butting
Eine Zwischenmaterialschicht, die zwischen den Stoßflächen 322, 326 der benachbarten Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium vorhanden sein kann, ist ein nicht gehärteter, jedoch durch Wärme aushärtbarer Strukturklebstoff. Ein derartiges Zwischenmaterial weist typischerweise eine Dicke von 0,1 mm bis 2,0 mm auf, was ein Punktschweißen durch die Zwischenschicht hindurch ohne große Schwierigkeit ermöglicht. Ein Strukturklebstoff kann zwischen den Stoßflächen 322, 326 der Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium angeordnet werden, so dass der Werkstückstapel 300 nach dem Punktschweißen in einem ELPO-Backofen oder einer anderen Vorrichtung erwärmt werden kann, um den Klebstoff auszuhärten und eine zusätzliche Haftung zwischen den Werkstücken 306, 308 bereitzustellen. Ein spezielles Beispiel für einen geeigneten durch Wärme aushärtbaren Strukturklebstoff ist ein durch Wärme aushärtbares Epoxid, das Füllpartikel enthalten kann, etwa Silika-Partikel, um die Viskosität oder andere mechanische Eigenschaften des Klebstoffs zu modifizieren, wenn er ausgehärtet wird. Eine Vielfalt von durch Wärme aushärtbaren Epoxiden ist kommerziell erhältlich, welche DOW Betamate 1486, Henkel 5089 und Uniseal 2343 umfassen. Selbstverständlich können andere Typen von Materialien die Zwischenmaterialschicht anstelle eines durch Wärme aushärtbaren Strukturklebstoffs bilden.An intermediate material layer that may be present between the abutting
Selbstverständlich ist der Werkstückstapel 300, wie in
Wie beispielsweise in
In einem anderen Beispiel, wie in
Mit Bezug nun auf
Das Verfahren zum Widerstandspunktschweißen beginnt, indem die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 relativ zu dem Werkstückstapel 300 positioniert werden, so dass die erste Schweißseite 204 der Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl gegenüberliegt und die zweite Schweißseite 224 der Oberfläche 316 des Werkstücks aus Aluminium gegenüberliegt, wie in
Sobald die erste Schweißseite 204 und die zweite Schweißseite 224 gegen die Oberflächen 314, 316 der Werkstücke aus Stahl bzw. Aluminium des Werkstückstapels 300 drücken, wird ein elektrischer Strom zwischen den Schweißelektroden 200, 220 mit Hilfe ihrer aufeinander zu orientierten Schweißseiten 204, 224 geleitet. Der zwischen den Schweißelektroden 200, 220 ausgetauschte elektrische Strom fließt durch den Werkstückstapel 300 hindurch und über die Stoßschnittstelle 310 hinweg, die zwischen den benachbarten Werkstücken 306, 308 aus Stahl und Aluminium gebildet ist. Ein Widerstand gegen das Fließen des elektrischen Stroms, welcher vorzugsweise ein elektrischer Gleichstrom mit einem Strompegel ist, der im Bereich von 5 kA bis 50 kA liegt, lässt das Werkstück 308 aus Aluminium schmelzen und erzeugt ein Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze innerhalb des Werkstücks 308 aus Aluminium. Das Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze benetzt die Stoßfläche 322 des Werkstücks 308 aus Stahl und dringt um eine Distanz in das Werkstück 308 aus Aluminium ein, die im Bereich von 20% bis 100% der Dicke 3080 des Werkstücks 308 aus Aluminium am Schweißort 312 liegt.As soon as the
Nach der Beendigung des elektrischen Stromflusses erstarrt das Schmelzbad 350 aus Aluminiumschmelze zu einer Schweißverbindung 352, das die Werkstücke 306, 308 aus Stahl und Aluminium am Schweißort 312 durch Schweißen verbindet, wie in
Nachdem das Durchleiten des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden 200, 220 beendet wurde und die von den Elektroden 200, 220 auferlegte Klemmkraft nicht mehr benötigt wird, werden die Schweißelektroden 200, 220 von ihren jeweiligen Oberflächen 314, 316 der Werkstücke aus Stahl und Aluminium zurückgezogen. Das Verfahren zum Widerstandspunktschweißen wird dann an anderen Schweißorten 312 an dem gleichen oder an einem anderen Werkstückstapel 300 wiederholt. Die fortgesetzte Verwendung der ersten und zweiten Schweißelektrode 200, 220 bei Widerstandspunktschweißoperationen bewirkt schließlich, dass die erste Schweißseite 204 und die zweite Schweißseite 224 schlechter werden. Diese Verschlechterung der Schweißseiten 204, 224 ist allgemein nicht vermeidbar und beginnt an einem bestimmten Punkt, die Kommunikation des elektrischen Stroms zwischen den Schweißelektroden 200, 220 und durch den Werkstückstapel 300 hindurch zu stören. Wenn der Stromfluss als Folge einer wahrnehmbaren Schweißseitenverschlechterung gestört wird, wird die Ausbildung der Schweißverbindung 352 gestört, wodurch es schwierig wird, Eigenschaften mit guter Festigkeit in der Verbindung 352 konsistent zu erreichen.After the passage of electric current between the
Die Kombination aus einander unähnlichen Materialien im Werkstückstapel 300 und die unterschiedlichen Schweißseitengeometrien der ersten und zweiten Schweißelektrode 200, 220 führen zu unterschiedlichen Formen der Verschlechterung, die an der ersten und zweiten Schweißseite 204, 224 auftreten. Beispielsweise kann die erste Schweißseite 204 der ersten Schweißelektrode 200 eine Makrodeformation in der Form von Wucherungen aufgrund der hohen Temperaturen erfahren, die an der Oberfläche 314 des Werkstücks aus Stahl auftreten, und aufgrund des Klemmdrucks, der der Schweißseite 204 auferlegt wird, speziell, wenn das Werkstück 306 aus Stahl einen hochfesten Stahl wie etwa DP, TRIP oder andere enthält. Zudem kann die erste Schweißseite 204, wenn sie aus einer Kupferlegierung besteht, mit Zink auf dem Werkstück 306 aus Stahl, falls vorhanden, reagieren, um eine Schicht aus Kupfer-Zink-Legierung auf der Schweißseite 204 auszubilden, welche die Makrodeformation beschleunigt. Die zweite Schweißseite 224 der zweiten Schweißelektrode 220 andererseits kann, wenn sie aus einer Kupferlegierung besteht, eine metallurgische Reaktion zwischen Kupfer und Aluminium erfahren, die ein Reaktionsprodukt aus Kupfer und Aluminium bildet. Das Reaktionsprodukt aus Kupfer und Aluminium kann die Schweißseite 224 absplittern lassen und angreifen. Zudem können die aufrecht stehenden kreisförmigen Grate 232 im Lauf der Zeit deformiert oder abgeflacht werden, was die Fähigkeit der Schweißseite 224 zum Leiten von elektrischem Strom in den Werkstückstapel 300 hinein oder aus diesem heraus beeinträchtigt.The combination of dissimilar materials in the
Die erste und zweite Schweißseite 204, 224 können durch das Fräswerkzeug 10 periodisch immer dann nachgearbeitet werden, wenn es gewünscht ist, einer Verschlechterung der Schweißseite entgegenzuwirken und dadurch die Nutzlebensdauer der ersten und zweiten Schweißelektrode 200, 220 zu verlängern. Die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 können speziell nachgearbeitet werden, nachdem sie zwischen 10 und 100 Schweißverbindungen 352 ausgebildet haben. Das heißt, dass die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 verwendet werden können, um einen ersten Satz von Schweißverbindungen 352 auszubilden, der im Bereich von 10 bis 100 liegt, gefolgt vom Nachbearbeiten durch das Fräswerkzeug 10. Nach dem Nacharbeiten können die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 verwendet werden, um einen zweiten Satz von Schweißverbindungen 352 auszubilden, der wieder im Bereich von 10 bis 100 liegt, gefolgt von einer weiteren Nacharbeitung mit dem Fräswerkzeug 10. Für jede Schweißelektrode 200, 220 kann dieser Ablauf aus Schweißen und Nacharbeiten fortgesetzt werden, bis der kumulierte Verbrauch von Schweißseitenmaterial, der aus den Nacharbeitungsoperationen resultiert, die Elektroden 200, 220 in einen Zustand versetzt, in dem sie für eine weitere Verwendung nicht geeignet sind. Da jede Nacharbeitungsoperation mit dem Fräswerkzeug 10 eine Materialtiefe in dem Bereich von 10 µm bis 500 µm und besonders bevorzugt von 50 µm bis 200 µm entfernt, kann jede der Schweißelektroden 200, 220 für gewöhnlich zwischen 10 und 500 Nacharbeitungsoperationen aushalten, bevor sie durch eine neue Elektrode mit der gleichen Schweißseitengeometrie ersetzt werden muss.The first and second welding sides 204, 224 can be periodically reworked by the
Das Verwenden des Fräswerkzeugs 10 zum Nacharbeiten der ersten und zweiten Schweißseite 204, 224 kann ausgeführt werden, ohne die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 von der Schweißzange zu entfernen. Die Nacharbeitungsoperation umfasst das Montieren des Fräswerkzeugs 10 in einer drehbaren Halterung. Die erste und zweite Schweißelektrode 200, 220 werden dann entlang der Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 des Fräswerkzeugs 10 gleichzeitig derart zusammengefahren, dass die erste Schweißseite 204 in die erste Fräsaufnahme 32 aufgenommen wird und die zweite Schweißseite 224 in die zweite Fräsaufnahme 34 aufgenommen wird, wie in
Das Fräswerkzeug 10 wird um die Mittelachse 18 des Durchgangslochs 16 mit einer Drehzahl gedreht, die typischerweise im Bereich von 100 U/min bis 1000 U/min oder enger gefasst von 200 U/min bis 500 U/min liegt, für minimal eine bis zehn Umdrehungen oder enger gefasst für vier bis sechs vollständige Umdrehungen um die Achsen 212, 234 der Schweißseiten 204, 224 herum. Während dieser Drehung werden die Vorderkanten 76, 90 der Abscherflächen 68, 70 von der einen oder den mehreren Fräsfurchen 58 auf gleiche Weise um die Achse 212, 234 ihrer jeweiligen Schweißseiten 204, 224 gedreht, wobei sie in Kontakt mit den Schweißseiten 204, 224 bleiben. Diese Drehbewegung der Vorderkanten 76, 90 um die Schweißseiten 204, 224 herum fräst die erste und zweite Schweißseite 204, 224 und ihre zugehörigen Übergangsansätze 208, 228, um neues Schweißseitenmaterial freizulegen und die ersten und zweite Schweißseitengeometrie wiederherzustellen. Nachdem die erste und zweite Schweißseite 204, 224 angemessen nachgearbeitet wurden, werden die Schweißelektroden 200, 220 aus der ersten und zweiten Fräsaufnahme 32, 34 heraus zurückgezogen und können, da sie noch von der Schweißzange getragen werden, schnell zurück in Dienst gestellt werden.The
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Also Published As
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