Die vorliegende Erfindung betrifft eine Punktschweiß-Elektrodenkappe für das Widerstandspunktschweißen von verzinkten Stahlblechen.

Der Trend im Karosseriebau der Automobilbranche entwickelt sich zunehmend dahingehend, dass an mechanisch stark belasteten Bereichen der Karosserie hochfeste Stähle, wie beispielsweise Dualphasenstähle, zum Einsatz kommen. Durch den Einsatz dieser Stähle ist es möglich filigranere Strukturbauteile umzusetzen und so das Gesamtgewicht der Karosserie zu reduzieren. Um die Karosserie vor unerwünschter Korrosion zu schützen, bietet der Markt entsprechende hochfeste Stähle in verzinkter Form an.

Beim Punktschweißen werden sogenannte Punktschweiß-Elektrodenkappen an den Wirkstellen einer Schweißzange angebracht. Aufgabe dieser Kappen ist es, den Schweißstrom möglichst verlustarm in die Fügepartner einzuleiten, die überschüssige Wärme abzuführen und die Fügepartner zu verpressen. Diese Kappen sind Verschleißteile, die in regelmäßigen Abständen ersetzt werden müssen. Die äußere Gestalt der Elektrodenkappen ist in der Norm „Widerstandsschweißen - Punktschweiß-Elektrodenkappen EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04)" festgehalten. Für den Einsatz der Kappen im Karosseriebau, hat sich die Form des Typs Fl etabliert - siehe auch nachstehende Figur la.

Durch den Einsatz der Fl Normgeometrie beim Punktschweißen von Karosserieteilen entstehen beim Verschweißen von Blechen der oben beschriebenen, hochfesten und verzinkten Stähle einige Probleme.

Es ist bekannt, dass bei der Kombination von mechanischer Belastung, flüssigem Zink und hochfesten Stählen das Phänomen der Flüssigmetallversprödung auftritt, auch als LME (liquid metal embrittlement) bekannt. Bei diesem Korrosionsmechanismus penetriert das durch den Schweißprozess erhitzte und schließlich geschmolzene Zink die Korngrenzen des Stahls und führt in dieser Versprödungsreaktion zu einer Verringerung der Kohäsion. Das geschieht in der Weise, dass zusammen mit der mechanischen Belastung durch das Aufeinanderpressen der beiden Schweißelektroden und thermisch induzierte Spannungen Risse entstehen. Diese Risse können im Extremfall zu einem sofortigen Versagen des Schweißpunktes führen oder die Festigkeit der Schweißverbindung erheblich herabsetzen, sodass der Festigkeitsvorteil des eingesetzten, hochfesten Vormaterials reduziert wird. Neben der bedingten Materialkombination Stahl und Zink, zählen somit als Haupteinflussfaktoren von Sprödbruch durch Flüssigmetallversprödung die Temperatur, da mit ihrer Erhöhung auch die Menge an verflüssigtem Zink und damit penetrationsfähigem und reaktionsförderndem, versprödendem Metall erhöht und die mechanische Belastung in Bezug auf die plastische Dehnung und die Dehnrate.

Um die Flüssigmetallversprödung möglichst gering zu halten, wird im Stand der Technik beispielweise versucht den eingeleiteten Strom möglichst gering zu halten. Dadurch wird die eingebrachte Wärmemenge reduziert und folglich auch die Menge an flüssigem Zink, das zur LME zur Verfügung steht, reduziert. Diese Maßnahme ist jedoch insofern limitiert, dass die eingebrachte Wärmemenge ausreichen muss, um eine dauerhafte Verbindung zwischen den Fügepartnern herzustellen.

Eine weitere Möglichkeit LME entgegenzuwirken wäre die Schweißzange nach dem Stromdurchgang noch eine gewisse Zeit geschlossen zu halten (Nachhaltezeit), um über den Wärmeübergang auf die Schweißelektroden möglichst viel Wärme abzuführen. Dies verlängert jedoch in nachteiliger Weise den Zyklus pro Schweißung.

Die KR101988769 Bl versucht das Risiko der Flüssigmetallversprödung durch gezielte Modifikation der Fl Kappenspitzengeometrie zu verringern. Die Modifikation betrifft mit Verweis auf die nachstehende Figur lb die Auswahl folgender Parameter, wobei ein Elektrodenspitzenabschnitt mit einer Kappenkontaktfläche, die in Bezug auf eine Zentralachse Z einen Durchmesser d2 aufweist mit einem Kugelradius SRI der Kappenkontaktfläche und einer daran anschließenden Fläche mit einem Kugelradius SR2, mit der Maßgabe, dass SRI < 100 mm ist, SR2 > 10 mm ist und der SRI und SR2 umfassende Kappenspitzenbereich in Bezug auf eine Höhe h entlang der Zentralachse < 1,5 mm beträgt. Die Elektrodenkappe der KR101988769 Bl weist mithin eine sprunghafte Änderung der Kugelradien am Übergang zwischen den Flächen auf. An diesem Übergang entsteht punktuell eine erhöhte mechanische Belastung, die die Bildung von Flüssigmetallversprödung nach wie vor begünstigt.

Die Aufgabe der Erfindung kann deshalb darin gesehen werden, eine Schweißkappe bereitzustellen, mit der das Risiko der Flüssigmetallversprödung beim Punktschweißen noch weiter verringert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Punktschweiß-Elektrodenkappe gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, die untereinander frei kombinierbar sind, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe erstreckt sich entlang einer Längsachse und hat eine Stirnseite mit einer zentralen Kappenkontaktfläche zum Kontaktieren der Oberfläche eines zu schweißenden Bauteils und einen unmittelbar radial und tangential an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist.

Es wurde überraschend gefunden, dass durch die Modifikation der Geometrie der Punktschweiß-Elektrodenkappenspitze, nämlich durch Schaffung eines speziell geformten, unmittelbar radial und tangential an die Schweißkappenkontaktfläche angrenzendem Übergangsabschnitts, die Rissbildung an Schweißpunkten durch Flüssigmetallversprödung stark verringert oder sogar vollständig vermieden werden kann. Die Modifikation beruht auf der Tatsache, dass neben dem bereits erwähnten Faktor der Temperatur, die plastische Verformung und die Dehnrate in den verschweißten Blechen nach der Grenzfläche zur Beschichtung während der Belastung einen wesentlichen Einfluss auf die Versprödung haben. Es war deshalb zielführend, die äußere Gestalt der Elektrode so zu wählen, dass die Dehnraten während des Zusammenpressens der Schweißzange in den LME-kritischen Bereichen möglichst niedrig gehalten werden. Die erfindungsgemäße Kontur der Elektrode bewirkt die Verringerung des Risikos von LME durch die Reduktion der plastischen Dehnungen, Reduktion der Dehnraten sowie der Reduktion der maximalen Oberflächentemperaturen beim Schweißvorgang. Die erfindungsgemäße Kappenspitzenform vermeidet gezielt extreme Änderungen im Übergang der Kontaktfläche und ermöglicht somit eine gleichmäßigere Verteilung der LME-Faktoren Druck und Temperatur im Schweißsubstrat.

Die Punktschweiß-Elektrodenkappe der vorliegenden Erfindung weist an ihrer Stirnseite die Kappenkontaktfläche und einen unmittelbar radial und tangential an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt auf. Unter Kappenkontaktfläche wird die Fläche verstanden, die zum Kontaktieren der Oberfläche eines zu schweißenden Bauteils vorgesehen ist und wird auf dem Fachgebiet üblicherweise als d bezeichnet. Zur Vermeidung von Missverständnissen wird auf EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04) verwiesen, die durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist und deren Begrifflichkeiten als gültig für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Wie auch von normierten Punktschweiß-Elektrodenkappen bekannt, beispielsweise den Normkappen AO, BO, CO, DO, Fl und GO aus EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04), ist die Kappenkontaktfläche erfindungsgemäß entweder nicht gekrümmt ausgebildet, also flach, oder mit anderen Worten mit unendlichem Krümmungsradius oder die Kappenkontaktfläche ist gekrümmt ausgebildet.

In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit gekrümmter Kappenkontaktfläche ist die Kappenkontaktfläche vorzugsweise mit einem Krümmungsradius Ri > 32 mm konvex gekrümmt ausgebildet, weiter bevorzugt ist die Kappenkontaktfläche mit einem Krümmungsradius Ri > 50 mm konvex gekrümmt ausgebildet, entsprechend einer Variante des Fl-Normkappentyps aus EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04). In einer weiteren Ausführungsform liegt Ri in einem Bereich von einschließlich 50 mm bis einschließlich 100 mm. Weitere bevorzugte Krümmungsradien Ri sind in Tabelle 1, Seite 5, beziehungsweise Tabelle A.l Seiten 9 und 10 von EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04) angegeben.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Kappenkontaktfläche mit nach radial außen stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet, d.h. frei von sprunghaften Krümmungsänderungen.

In dieser Ausführungsform nimmt die Krümmung der Kappenkontaktfläche bevorzugt nach radial außen linear zu, das heißt, die Kappenkontaktfläche verläuft entlang der Kontur einer Klothoide. Der Begriff Klothoide ist dem Fachmann bekannt. In einer anerkannten Definition wird eine Klothoide durch eine Aneinanderreihung von immer kleiner werdenden Kreisen (bzw. immer größer werdenden Kreisen, je nach Blickrichtung) beschrieben, deren infinitesimal kleine Bogensegmente tangential ineinander übergehen.

Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass beim Schweißprozess mit Fl-Elektrodenkappen der Übergang der Kappenkontaktfläche auf die, typischerweise zylinderöder kegelförmige, Mantelfläche der Punktschweiß-Elektrodenkappe eine besonders hohe Dehnrate am äußeren Rand des Schweißpunkts verursacht, damit eine besonders kritische Stelle für LME darstellt und folglich Schäden durch Rissbildung am Schweißpunkt entstehen.

Für Punktschweiß-Elektrodenkappen werden in der Praxis vom Fachmann stets geeignete Schweißbereiche ermittelt, umfassend die Parameter Elektrodenkraft, Stromstärke, Haltezeit sowie Modulationen der Strom- bzw. Kraftaufbringung und -entfernung, beispielsweise gemäß EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04) Tabelle 2 Seite 6. Der minimale Schweißstrom ist beispielweise in SEP 1220-2 (2011) auf Seite 5 so definiert, dass der minimale Schweißpunktdurchmesser zumindest 4 t (t=Blechdicke) aufweist. Dies ist für fünf idente Proben abzusichern. Der maximale Schweißstrom ist definiert durch die Spritzerfreiheit für einen Probenumfang von fünf identen Proben. In SEP 1220-2 (2011) findet sich beispielsweise auf Seite 18 ein Überblick über geeignete Schweißparameter für die Fl- Elektrodenkappe. Es wird eine Schweißzeit von 380ms, eine Elektrodenkraft von 4,5 kN und eine Nachhaltezeit von 300 ms als Schweißbeispiel auf Seite 28 beschrieben.

Innerhalb eines vom Fachmann ermittelten Schweißbereichs dringt die Kappenspitze beim Schweißvorgang unweigerlich geringfügig in das Basismaterial, wie verzinkte Stahlbleche, ein. Beim Eindringen der Kappenspitze in das Schweißsubstrat kontaktiert damit nicht nur die Kappenkontaktfläche, sondern auch immer ein Teil des kappenkontaktflächenseitigen Übergangsbereichs zwischen Kappenkontaktfläche und Mantelfläche, im Folgenden als Übergangsabschnitt bezeichnet, das Schweißsubstrat am Schweißpunkt. Der Schweißpunkt weist neben der charakteristischen Schweißlinse, die die verschweißten Bleche untereinander verbindet, also stets einen zur Schweißkappenspitzengeometrie korrespondierenden Eindruck über der Schweißlinse auf jeder Blechseite auf.

Mit der Bereitstellung eines modifizierten Übergangsabschnitts, der unmittelbar radial und tangential an die Kappenkontaktfläche anschließt und nach radial außen mit stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist, überwindet die vorliegende Erfindung das Problem des Stands der Technik, in dem der Übergang zwischen Kappenkontaktfläche und Übergangsabschnitt stets durch eine sprunghafte Änderung des Krümmungsradius gekennzeichnet ist und dort die stärksten plastischen Verformungen, größten Dehnraten und ungleichmäßigste Wärmeableitung an den Blechoberflächen bedingt.

Mit einer erfindungsgemäß kontinuierlichen sanften Änderung der Krümmung wird die Dehnrate des Schweißsubstrats beim Kontaktieren des Übergangsabschnitts erheblich verringert. Dies bewirkt eine signifikante Reduzierung der Rissbildung an der Blechoberfläche um den Elektrodeneindruck, die durch LME verursacht wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verlauf des Übergangsabschnitts kann nicht nur eine möglichst niedrige Dehnrate am Übergang vom Spitzenradius erreicht werden, sondern gleichzeitig auch mit zunehmender Entfernung von der Schweißsubstratkontaktfläche ein möglichst großer Abstand zum Schweißsubstrat erhalten werden. Auf diese Art und Weise kann eine definierte Schweißlinse garantiert werden. Gleichzeitig erfolgt eine gleichmäßigere und raschere Kühlung an der Blechoberfläche, wodurch eine geringere Menge an flüssigem Zink gebildet wird.

Es wurde zudem überraschenderweise gefunden, dass, um einerseits eine möglichst niedrige Dehnrate am Übergang vom Spitzenradius zu erreichen, andererseits aber auch mit zunehmender Entfernung von der kontaktierenden Fläche des Schweißsubstrats eine möglichst große Differenz zu erhalten, damit eine definierte Schweißlinse garantiert werden kann, die Grundform einer Klothoide besonders vorteilhaft ist. Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung nimmt deshalb die Krümmung in dem unmittelbar und tangential an die Kappenkontaktfläche angrenzenden Übergangsabschnitts nach radial außen linear zu, das heißt, entlang der Kontur einer Klothoide.

Zur Berechnung der Koordinaten einer Klothoide in einem kartesischen Koordinatensystem kann folgende Reihenentwicklungen verwendet werden. Diese Reihenentwicklung stellt ein Näherungsverfahren dar und ist auch mit Hinblick auf alternative mathematische Berechnungsverfahren im Rahmen der praktischen Anwendung ausreichend genau:

XKI = L(l-T710+T ⁴ /216-T ⁶ /9360)

YKI = L(T/3-T ³ /42+T ⁵ /1320-T ⁷ /75600)

Hierbei ist L eine Laufvariable die die Länge des Klothoidenabschnitts beschreibt. L wird am Beginn des Übergangsabschnitts als Klothoidenbeginn und damit mit 0 mm definiert.

T gibt den Schnittwinkel der Tangenten im Anfangs- und Endpunkt des Klothoidenabschnitts im Bogenmaß wieder und wird über folgende Formel berechnet:

T = L ² /(2*A ² )

A wird als Parameter der Klothoide bezeichnet und ist frei wählbar. Die Auswahl von A erlaubt es die Klothoide zu strecken, bzw. zu stauchen. Klothoiden haben die Eigenschaft zueinander ähnlich zu sein, sodass über eine Skalierungskonstante b die Klothoidenkoordinaten X und Y auf den für den Fachmann ersichtlichen sinnvollen Bereich skaliert werden können.

Die folgenden Formeln geben beispielhaft den Zusammenhang zwischen den allgemeinen Klothoidenkoordinaten und einer Kappenkontaktfläche bzw. einem Übergangsabschnitt der erfindungsgemäßen Schweißelektrode wieder. Das Koordinatensystem für die Klothoidenkoordinaten hat seinen Ursprung entsprechend in der Mitte der Schweißkontaktfläche oder im Übergangspunkt von Schweißkontaktfläche und Übergangsabschnitt im Falle einer flachen Kappenkotaktfläche. Für den Fall, dass am Übergang eine Anfangskrümmung vorliegt, wird das Klothoidenkoordinatensystem entsprechend verschoben, damit die Klothoide am Übergangsabschnitt mit der Krümmung des Übergangs losläuft.

X = b * XKI

Y = b * YKI

L beginnt mit L = 0 mm und wird für jedes weitere Koordinatenpaar XKI/YKI um 0,01 mm erhöht. Wird beispielsweise A = 1,22 definiert, dann ist b für ein unteres Grenzmaß bei b = 9 festgelegt, da für b > 9 die Kontaktfläche zu groß würde und damit keine definierte Schweißlinse mehr garantiert werden könnte. Für ein oberes Grenzmaß gilt dann b = 3, da für b < 3 keine ausreichende Reduzierung der Dehnrate und damit keine signifikante Reduzierung des LME Risikos mehr stattfindet. Deshalb liegt für A = 1,22 b erfindungsgemäß im Bereich von 3 bis 9, vorzugsweise 4 bis 8, vorzugsweise 4,5 bis 7,5 und besonders bevorzugt bei 5 bis 6, beispielsweise bei 5,6. Dem Fachmann ist bekannt, dass Klothoiden, die unter den genannten Parameterbereich fallen mathematisch auch alternativ ausgedrückt werden können.

In Ausführungsformen der Erfindung, können die oben beschriebenen Grundformen der Kappenkontaktfläche und des Übergangsabschnitts beliebig miteinander kombiniert werden. Zur Vermeidung sprunghafter Änderungen des Krümmungsradius am Übergang ist es selbstverständlich, dass in der vorliegenden Erfindung die Krümmung des Übergangsabschnitts am Übergang zwischen Kontaktfläche und Übergangsabschnitt mit der Krümmung der Kappenkontaktfläche am Übergang beginnt. Unter der Vielzahl der möglichen denkbaren Kombinationen sind unter anderem folgende vorteilhafte Kombinationen aufgezählt:

Flache Kappenkontaktfläche mit einem radial und tangential unmittelbar an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist.

Flache Kappenkontaktfläche mit einem radial und tangential unmittelbar an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen linear zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt. Konvex gekrümmte Kappenkontaktfläche mit einem konstanten Kugelradius SRI und einem radial und tangential unmittelbar en die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist. Der Kugelradius SRI liegt vorzugsweise in einem Bereich von 32 mm bis 100 mm, weiter bevorzugt ein einem Bereich von 50 bis 100 mm.

Konvex gekrümmte Kappenkontaktfläche mit einem konstanten Kugelradius SRI und einem radial und tangential unmittelbar en die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen linear zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist. Der Kugelradius SRI liegt vorzugsweise in einem Bereich von 32 mm bis 100 mm, weiter bevorzugt ein einem Bereich von 50 bis 100 mm. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt.

Kappenkontaktfläche mit nach radial außen stetig zunehmender konvexer Krümmung und einem radial und tangential unmittelbar an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist.

Kappenkontaktfläche mit nach radial außen linear zunehmender konvexer Krümmung und einem radial und tangential unmittelbar an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen stetig zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist.

Kappenkontaktfläche mit nach radial außen linear zunehmender konvexer Krümmung und einem radial und tangential unmittelbar an die Kappenkontaktfläche anschließenden Übergangsabschnitt, wobei der Übergangsabschnitt mit nach radial außen linear zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist. Bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform verlaufen die Kappenkontaktfläche und der Übergangsabschnitt entlang der Kontur einer gemeinsamen Klothoide.

Obwohl die Kappen in einem idealen Schweißprozess immer entlang einer gemeinsamen Achse positioniert sein sollten, kann es in der Praxis durch die Geometrie der Schweißzangen zu einer minimalen Verkippung der entgegengesetzten Elektrodenkappen kommen. Die erfindungsgemäße Elektrodenkappe mit der neuartigen Kappenspitzengeometrie gleicht dies zusätzlich aus und reduziert dadurch nochmals sehr lokalisierte plastische Dehnungen. Da die erfindungsgemäße Verbesserung nur den vorderen Abschnitt einer Punktschweiß- Elektrodenkappe betrifft, ist die weitere Form der Punktschweiß-Elektrodenkappe grundsätzlich unkritisch. Die erfindungsgemäße Modifikation der Kappenspitze lässt sich auf jedes denkbare Design und Abmessungen einer Punktschweiß-Elektrodenkappe anwenden.

Die Punktschweiß-Elektrodenkappe ist vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse ausgebildet. In Ausführungsformen ist es jedoch möglich, dass die Kappenkontaktfläche nicht zentral ausgeführt ist, sondern bezüglich der Längsachse versetzt positioniert ist, wie beispielweise vom DO-Normkappentyp aus EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN 1505821:2010-04) bekannt.

Die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe hat einen Durchmesser di. Dieser ist grundsätzlich unkritisch, solange die Elektrodenkappe zum Schweißen, insbesondere von verzinkten Stahlblechen, geeignet ist. Typischerweise hat die erfindungsgemäße Punktschweiß- Elektrodenkappe einen Durchmesser di von mindestens 5 mm, bevorzugt 5 bis 50 mm, weiter bevorzugt von 10 bis 25 mm und weiter bevorzugt von 13 bis 20 mm.

Üblicherweise findet man in der Praxis beim Verschweißen von zwei Blechen, die bereits erwähnten zur Kappenspitzengeometrie korrespondierenden Elektrodeneindrücke am Schweißpunkt, deren Tiefe relativ zur an den Schweißpunkt angrenzenden Fläche des Blechs im Folgenden als Höhe h' bezeichnet wird. Die Höhe ist grundsätzlich abhängig vom ermittelten Schweißbereich, welcher, wie oben dargelegt, wiederum von der Dicke des Schweißsubstrats abhängt. Bei üblichem Blechdicken von 1,6 mm liegt die Höhe h' pro Blech in einem Bereich von ca. 0,1 mm bis 0,5 mm. Beim Verschweißen von drei Blechen mit üblichen Dicken von 1,6 mm kann h' bis zu 0,9 mm betragen.

Unter Berücksichtigung der Höhe h', beträgt der den Übergangsabschnitt umfassende Kappenspitzenbereich in Bezug auf eine Höhe h, gemessen entlang der Längsachse ab dem äußersten Punkt, beziehungsweise vorderster Stelle der Kappenspitze, > einer Höhe h' des korrespondierenden Elektrodeneindrucks am Schweißpunkt. Die Höhe h' beschreibt den Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Eindrucks und einer Ebene, welche durch die den Schweißpunkt umgebende und nicht durch den Schweißpunkt beeinträchtigten, äußeren Blechfläche, d.h. exklusiv etwaiger Schultern am Rand des Schweißpunkts, definiert wird, h' kann als h'Max (d.h. der Eindruck mit der höchsten Höhe ist ausschlaggebend) aus vergrößerten Aufnahmen von 5 Querschliffen analog nachstehendem Praxistestbeispiel vom Fachmann ermittelt werden, h beträgt vorzugsweise mindestens einschließlich 1,1* h'Max-

Des Weiteren liegt die Höhe h in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einem Bereich von > 0,1 mm bis einschließlich 1,5 mm, weiter bevorzugt > 0,2 mm bis einschließlich 1,5 mm, weiter bevorzugt > 0,3 mm bis einschließlich 1,5 mm, weiter bevorzugt > 0,4 mm bis 1,5 mm und noch weiter bevorzugt > 0,5 mm bis einschließlich 1,5 mm. Mit Hinblick auf die üblicherweise in der Automobilindustrie verwendeten Blechdicken und Schweißbereiche liegt h vorzugsweise in einem Bereich von > 0,1 mm bis > 1,0 mm, > 0,2 mm bis > 1,0 mm, bzw. > 0,3 mm bis > 1,0 mm. Für den Fall, dass die Kappe zum Verschweißen von mehreren Blechlagen verwendet wird und deshalb tiefere Eindrücke aufgrund der aufzuwendenden höheren Kraft zu erwarten sind, kann die Höhe h in Bezug auf die Höhe h' entsprechend angepasst werden.

Unter Berücksichtigung der obigen Maßgabe in Bezug auf die mit Hinblick auf die Höhe h' notwendige Höhe h des Kappenspitzenbereichs, kann der Fachmann den Durchmesser dz der Kappenkontaktfläche sowie die Ausdehnung des Übergangsabschnitts wählen.

Die Kappenkontaktfläche erstreckt sich vorzugsweise mit ihrem Durchmesser dz über 30 bis 80%, bevorzugt über 30 bis 65% und weiter bevorzugt über 35 bis 45% des Außendurchmessers di der Punktschweiß-Elektroden kappe.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Übergangsabschnitt nach radial außen mit mindestens 20% bis einschließlich 70% des Außendurchmessers di der Schweißkappe.

Der weitere Verlauf des Übergangsbereichs zwischen der Kappenkontaktfläche und dem Mantel der Schweißkappe nach dem Übergangsabschnitt ist grundsätzlich unkritisch.

Maßgeblich für die vorliegende Erfindung ist jedenfalls, dass sich der Übergangsabschnitt so weit erstreckt, dass sichergestellt ist, dass bei einem definierten Schweißbereich der gesamte Randbereich des Elektrodeneindrucks am Schweißsubstrat den Übergangsabschnitt kontaktiert oder vice versa die Schweißkappe beim Kontakt unter üblichen Schweißbedingungen das Schweißsubstrat nicht über den Übergangsabschnitt hinaus kontaktiert. Dadurch wird gewährleistet, dass an der Kontaktstelle am Randbereich eine geringe Dehnrate, also eine niedrige Verformungsänderung des Substrats in Abhängigkeit von der Zeit, vorhanden ist und gleichzeitig eine ausreichende Distanz zum Substrat/Schweißpunkt erreicht wird, um eine definierte Schweißlinse zu garantieren. Gleichzeitig wird auch die plastische Dehnung, also die bleibende Verformung nach Entlastung durch die Schweißelektroden, insgesamt reduziert, insbesondere für den Fall, dass die Kappen des Kappenpaares im Schweißvorgang aufgrund der Zangengeometrie zueinander verkippt sein sollten. Dadurch sind auch die Materialbeschaffenheit und die Geometrie der Schweißpunkte im erfindungsgemäßen Fall sehr viel gleichmäßiger.

Im Vergleich zur Fl Schweißkappe ist die Fläche des berührenden Randbereichs der erfindungsgemäßen Schweißkappe größer, sodass einerseits die erwähnte Wärmeableitung aus dem Schweißsubstrat vergrößert wird und sich positiv auf die Qualität des Schweißpunkts auswirkt und zusätzlich das aufgeschmolzene Zink weniger dazu neigt herauszuspritzen.

Für den Fall, dass der Übergangsbereich in seiner Gesamtheit zwischen Kappenkontaktfläche und Mantel entlang einer der hier beschriebenen Konturen verläuft, kann der Übergangsabschnitt in einem Extrem somit auch den gesamten Übergangsbereich abbilden. Mit anderen Worten umfasst in solchen Ausführungsformen der die Kappenkontaktfläche d und den Übergangsabschnitt umfassende Kappenspitzenabschnitt einen dem Außendurchmesser di entsprechenden Durchmesser. Vorzugsweise umfasst der die Kappenkontaktfläche und den Übergangsabschnitt umfassende Kappenspitzenabschnitt nach radial außen 100% bis 50% des Außendurchmessers di. Der gegebenenfalls verbleibende Teil des Übergangsbereich beginnt dort, wo der Übergangsabschnitt nicht mehr entlang einer seiner hier als erfindungsgemäß definierten Konturen verläuft. Beispielweise endet der Übergangsabschnitt durch Übergang in einen konstanten Kugelradius oder in eine Kegelfläche und beträgt entsprechend 0 bis 50% bezogen auf den Außendurchmesser di.

Die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe weist ferner typischerweise einen Innenkegel mit einem Durchmesser dz und einer Länge lz zur Befestigung und Kühlung der Elektrodenkappe auf dem Elektrodenschaft auf. Diese sind im Wesentlichen unkritisch, solange sich die Elektrodenkappe zur Befestigung auf einem Elektrodenschaft eignet. Vorzugsweise liegt Durchmesser dz in einem Bereich von 10,0 mm (+/- 0,1 mm) bis 15,0 mm (+/- 0,1 mm) und die Länge lz in einem Bereich von 8,0 mm (+/- 0,1 mm) bis 12,0 mm (+/- 0,5 mm).

Die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe weist ferner eine Länge h Auf. Die Länge /i ist im Wesentlichen unkritisch, solange sich die Elektrodenkappe zum Punktschweißen eignet. Typischerweise weist die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe eine Länge h in einem Bereich von 18 mm (+/- 0,5 mm) bis 28 mm (+/- 0,5 mm) auf. Da die Industrie standardisierte Kappentypen verwendet, hat in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung die Punktschweiß-Elektrodenkappe, nebst der erfindungsgemäß modifizierten Spitzengeometrie, die Grundform einer AO-, BO-, CO-, DO-, Fl-, oder GO- Schweißelektrodenkappe gemäß EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04), vorzugsweise mit den dort angegebenen Abmessungen und Toleranzen aus Tabelle 1, Seite 5 und Tabelle A.l, Seite 9 in Verbindung mit Tabelle 3, Seite 6.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hat die Punktschweiß- Elektrodenkappe, nebst der erfindungsgemäß modifizierten Spitzengeometrie, die Form und Abmessung einer Fl-Normkappe gemäß EN ISO 5821:2009 (D) (DIN EN ISO 5821:2010-04) Tabelle 1, Seite 5 und Tabelle A.l, Seite 9 in Verbindung mit Tabelle 3, Seite 6.

Die Punktschweiß-Elektrodenkappe der vorliegenden Erfindung besteht typischerweise aus auf dem Fachgebiet bekannten Werkstoffen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Werkstoffe sind in der Norm DIN EN ISO 5182:2016, Tabelle 3, Seiten 8 und 9 festgehalten.

Insbesondere sind hier Kupfer oder bekannte Kupferlegierungen, insbesondere CuCrZr zu nennen.

Verfahren zur Herstellung von Schweißkappen sind allgemein bekannt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Schweißkappe durch maschinelles Drehen aus Stäben des Werkstoffs hergestellt werden. Zur Überprüfung der Elektrodenkontur kann mit Hilfe einer Koordinatenmessmaschine das Profil der Schweißkappe aufgezeichnet und mit einer technischen Zeichnung verglichen werden.

In einem Punktschweißverfahren werden die erfindungsgemäßen Schweißkappen derart verwendet, dass sie auf die gegenläufigen Wirkstellen einer Schweißzange aufgesetzt werden und die gegenüberliegenden Schweißkappen mit ihren Kontaktflächen auf die gegenüberliegenden Seiten eines Blechstapels aufgesetzt werden und diesen innerhalb eines definierten Schweißbereichs zusammenschweißen. Aufgrund der vorteilhaften Geometrie eignet sich die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe hervorragend zur Vermeidung von Flüssigmetallversprödung in einem zweiseitigen Widerstandspunktschweißverfahren von verzinkten Stahlblechen.

Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.

Von den Figuren zeigen: Fig. la: eine schematische Darstellung einer Fl-Normkappe;

Fig. lb: eine schematische Darstellung der Schweißkappe gemäß KR-101988769 Bl;

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Kappe gemäß der vorliegenden Erfindung

Fig. 3: eine vergrößerte schematische Darstellung des Kappenspitzenbereichs der Kappe der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Fl Kappe mit gekrümmter Kappenkontaktfläche;

Fig. 4: eine vergrößerte schematische Darstellung des Kappenspitzenbereichs der Kappe der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Fl Kappe mit flacher Kappenkontaktfläche;

Fig. 5a: einen Querschliff einer Testschweißung im optimalen Schweißbereich mit der Fl

Kappengeometrie;

Fig. 5b: einen Querschliff einer Testschweißung im optimalen Schweißbereich mit

Kappengeometrie gemäß vorliegender Erfindung.

Die Figur la zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Fl-Normkappe in einer Seitenansicht in Blickrichtung senkrecht auf eine Längsachse Z. Die Kappe weist eine Stirnseite mit einer zentralen Kappenkontaktfläche mit einem Durchmesser dz und einem konstanten Krümmungsradius SRi sowie einen unmittelbar anschließenden Übergangsbereich mit einem konstanten Kugelradius SRz zwischen der Kappenkontaktfläche und der Mantelfläche auf. Die Kappe weist ferner einen Außendurchmesser di sowie eine Gesamtlänge h auf.

Die Figur lb zeigt die Fl-Kappenvariante aus KR-101988769 Bl. Normkappe in einer Seitenansicht in Blickrichtung senkrecht auf eine Längsachse Z. Die Kappe weist ebenfalls eine Stirnseite mit einer zentralen Kappenkontaktfläche mit einem Durchmesser dz und einem konstanten Krümmungsradius SRi sowie einen unmittelbar anschließenden Übergangsbereich mit einem konstanten Kugelradius SRz zwischen der Kappenkontaktfläche und der Mantelfläche auf. Die Kappe weist ferner einen Außendurchmesser di auf. Ferner weist die Kappe einen Kappenspitzenabschnitt 20 mit einer Höhe h auf.

In den Beispielen des Stands der Technik findet immer ein sprunghafter Übergang zwischen Kugelradius SRi und Kugelradius SRz statt.

Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe 1 die sich entlang einer Längsachse 2 erstreckt und eine Stirnseite 3 mit einer zentralen Kappenkontaktfläche 4 mit einem Durchmesser dz zum Kontaktieren der Oberfläche eines zu schweißenden Bauteils und einen unmittelbar radial und tangential an die Kappenkontaktfläche 4 anschließenden Übergangsbereich 5 zwischen der Kappenkontaktfläche 4 und dem Mantelfläche 6 mit einem unmittelbar radial und tangential an die Kappenkontaktfläche 4 anschließenden Übergangsabschnitt 7 des Übergangsbereichs 5 aufweist, wobei der Übergangsabschnitt 7 mit nach radial außen zunehmender Krümmung konvex gekrümmt ausgebildet ist. In der dargestellten Ausführungsform verlaufen die Kappenkontaktfläche 4 der Übergangsabschnitt 7 entlang der Kontur einer gemeinsamen Klothoide.

Die erfindungsgemäße Kappenkontaktfläche 4 kann in alternativen Ausführungsformen auch nicht gekrümmt ausgebildet sein, also flach, oder mit anderen Worten mit unendlichem Krümmungsradius oder die Kappenkontaktfläche kann konvex gekrümmt mit stetiger Änderung des Krümmungsradius ausgebildet sein.

In der in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform nimmt die konvexe Krümmung in dem unmittelbar an die Kappenkontaktfläche 4 angrenzenden Übergangsabschnitt 7 linear nach radial außen zu, das heißt, entlang der Kontur einer Klothoide. Die konvexe Krümmung im Bereich des Übergangsabschnitts 7 kann alternativ nach radial außen stetig zunehmen.

Wie in den Figuren 3 und 4 beispielhaft dargestellt können in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die beschriebenen Grundformen der Kappenkontaktfläche 4 und des Übergangsabschnitts 7 beliebig miteinander kombiniert werden. So zeigt die Figur 3 beispielhaft der Verlauf einer gekrümmten Kappenkontaktfläche mit SRi = 50 mm (A) und B (S/?2= 8 mm) für die normgemäße Fl-Kappe, C und E sind Grenzmaße des klothoidalen Verlaufs, D Verlauf gemäß erfindungsgemäßer Kappe nachstehender Beispiele.

Weitere Denkbare Kombinationen sind in der Figur 4 dargestellt, diesmal mit flacher Kappenkontaktfläche und B (SRz = 8 mm) für eine normgemäße Fl-Kappe, C und E sind Grenzmaße des klothoidalen Verlaufs der erfindungsgemäßen Kappenspitze, D Verlauf gemäß erfindungsgemäßer Kappe analog zu Figur 3.

Die Koordinaten der Klothoiden der Figuren 3 und 4 wurden in einem kartesischen Koordinatensystem durch folgende Reihenentwicklungen ermittelt:

XKI = L(l-T710+T ⁴ /216-T ⁶ /9360)

YKI = L(T/3-T ³ /42+T ⁵ /1320-T ⁷ /75600) Hierbei ist L eine Laufvariable die die Länge des Klothoidenabschnitts beschreibt. L wird am Beginn des Übergangsabschnitts als Klothoidenbeginn und damit mit 0 mm definiert.

T gibt den Schnittwinkel der Tangenten im Anfangs- und Endpunkt des Klothoidenabschnitts im Bogenmaß wieder und wird über folgende Formel berechnet:

T = L ² /(2*A ² )

A wird als Parameter der Klothoide bezeichnet und ist frei wählbar. Klothoiden haben die Eigenschaft zueinander ähnlich zu sein, sodass über eine Skalierungskonstanten b die Klothoidenkoordinaten X und Y auf den für den Fachmann ersichtlichen sinnvollen Bereich skaliert werden. Die folgenden Formeln geben den Zusammenhang zwischen den allgemeinen Klothoidenkoordinaten und dem Übergangsbereich der erfindungsgemäßen Schweißelektrode wieder. Das Koordinatensystem für die Klothoidenkoordinaten hat seinen Ursprung im Übergangspunkt von Schweißkontaktfläche und Übergangsbereich und steht mit der Ordinate senkrecht auf die Tangente des Übergangspunkts.

X = b * XKI

Y = b * YKI

Im Beispiel von Fig. 3 und Fig. 4. wird A = 1,22 definiert. L beginnt mit L = 0 mm und wird für jedes weitere Koordinatenpaar XKI/YKI um 0,01 mm erhöht, b ist für das untere Grenzmaß bei b = 9 (in Fig. 3 und Fig. 4 strichliert gekennzeichnet) festgelegt, da für b > 9 die Kontaktfläche zu groß wird. Für das obere Grenzmaß gilt b = 3 (in Fig. 3 und Fig. 4 gepunktet gekennzeichnet), da für b < 3 keine ausreichende Reduzierung der Dehnrate und damit keine signifikante Reduzierung des LME Risikos mehr stattfindet. Für die Elektrodenkappe des Praxistestbeispiels ist b = 5,6 (in Fig. 3 und Fig. 4 durchgezogen gekennzeichnet). Zu Referenzzwecken ist in den Fig. 3 und 4 zusätzlich der Radius R = 8 mm zweipunkt-strichliert eingezeichnet, der für die Schweißkappe vom Typ Fl verwendet wird. In Figur 3 wurden die klothoidalen Verläufe bezüglich SR50 der Kappenkontaktfläche d2gefittet, sodass die Klothoiden alle mit einen Anfangskrümmungsradius von R50 am Übergang von dj . beginnen.

An den Figuren 3 und 4 wird der erfindungsgemäße sanfte Übergang im Vergleich zum Stand der Technik besonders deutlich.

BEISPIELE

Herstellungsbeispiel: Zur Durchführung praktischer Versuche wurden erfindungsgemäße Schweißkappen aus CuCrlZr Stäben gedreht. Die hergestellten Kappen verlaufen die Kappenkontaktfläche und der Übergangsabschnitts entlang der Kontur einer gemeinsamen Klothoide auf. Die Klothoide wurde mit dem hierin angegeben Näherungsverfahren mit den Parametern A = 1,22 und b = 5,6 gefertigt. Die Länge h der Schweißkappe betrug 20 mm und der Außendurchmesser di 16 mm. Die Kappenkontaktfläche d betrug 5,5 mm. Weiterhin wurden zu Vergleichszwecken Kappen der Geometrie Fl (Fl-16-20-5,5) aus demselben Material gedreht, vgl. DIN EN ISO 5821:2009.

Praxistestbeispiele:

Zwei elektrolytisch verzinkte (Zink-Schichtdicke etwa 7 pm) Bleche des DP1200HD von Voestalpine mit einer Blechdicke von jeweils 1,6 mm werden mit Kappen mit verschiedenen Elektrodengeometrien (Typ K (erfindungsgemäß) & Typ Fl (Vergleich)) und verschiedenen Elektrodenkräften verpresst (Elektrodenkraft 3 kN bzw. 4,5 kN) und bestromt (380ms bzw. 1140ms), um zwischen den beiden zu verschweißenden Blechen die nötige Wärme zu erzeugen. Die jeweilige Stromstärke ergibt sich aus Vorversuchen zur Ermittlung des optimalen Schweißbereichs für die jeweiligen Geometrien. Die verschweißten Bleche wurden anschließend einer visuellen Inspektion auf Risse unterzogen und anschließend nach entzinken (mit inhibierter Salzsäure) per Farbeindringprüfung (, NORD-TEST' der Fa. HELLING GmbH) genauer auf Risse untersucht. Diese wurden mit einer DSLR-Kamera (Sony a7s), einem 2:1 Macro-Objektiv (Minolta MC Macro Rokkor - QF, 50mm, 1:3,5) unter UV-Licht dokumentiert. Anschließend durchgeführte Querschliffe (getrennt mit Secotom-10, poliert mit LaboPol-25 und geätzt mit Nital) wurden mit dem Lichtmikroskop (Axio Scope von Zeiss) bei 25-facher Vergrößerung aufgenommen, wobei Risse mit Image! vermessen wurden.

Die gewählten Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst:

Der Versuch aus VI bzw. Bl wurde mit einer konstanten Kraft von 3 kN und einem konstanten Strom von 7 bzw. 7 ,3 kA (jeweils optimaler Schweißstrom aus Vorversuchen ermittelt) und einer Schweißzeit von 380 ms und mit einer Haltezeit von 300 ms gefahren. Daraus resultiert bei der visuellen Inspektion 1 Riss bei der Schweißung mit der Fl Kappe und 0 Risse mit der erfindungsgemäßen Kappe. Die Farbeindringprüfung zeigt 7 Risse für die Fl Kappe und 0 Risse für die erfindungsgemäße Kappe.

Das nächste Versuchspaar V2 und B2 wurde im Vergleich zum ersten Versuchspaar mit dreifacher Schweißzeit durchgeführt: Elektrodenkraft = 3,0 kN, Schweißzeit = 1140 ms, Nachhaltezeit = 300 ms. Der notwendige Schweißstrom ist bei der Fl Kappengeometrie 7,0 kA und bei der Punktschweiß-Elektrodenkappe der vorliegenden Erfindung 7,3 kA. Der Unterschied des Stromes lässt sich anhand der Spritzergrenze nach SEP 1220-2 (2011) erklären, jedoch zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Punktschweiß-Elektrodenkappe selbst bei höherer Energieeinbringung weniger Versprödung bewirkt. Die Figuren 5a und 5b zeigen einen Vergleich zwischen der Elektrode des Typs Fl (Stand der Technik) und der erfindungsgemäßen Elektrode (Typ K) aus dem Herstellungsbeispiel. Die visuelle Inspektion ergab 9 Risse für die Fl Kappe und 1 Riss für die erfindungsgemäße Kappe. Die Farbeindringprüfung ergab 27 Risse für die Fl Kappe und 1 Riss für die erfindungsgemäße Kappe. Anhand der Figuren 5a und 5b, die jeweils einen Querschliff eines gemäß diesem Versuchspaar hergestellten Schweißpunktes zeigen, wird der Unterschied des Ausmaßes und der Unregelmäßigkeit der plastischen Verformung zwischen der Fl-Kappe und der erfindungsgemäßen Kappe sehr deutlich.

Beispielsweise kann auch die leichte Verkippung der Kappen zueinander im Falle der Fl-Kappen in Fig. 5a klar identifiziert werden, während in Fig. 5b nichts Derartiges erkannt werden kann.

Das dritte Versuchspaar V3 und B3 wurde bei konstanter Kraft- sowie Stromaufbringung, jedoch mit erhöhten Werten im Vergleich zur ersten Versuchsreihe durchgeführt. Elektrodenkraft 4,5 kN und Schweißstrom 7,9 kA bzw. 8,3 kA. Die visuelle Inspektion ergab 3 Risse für die Fl Kappe und 2 Risse für die erfindungsgemäße Kappe. Die Farbeindringprüfung ergab 4 Risse für die Fl Kappe und 0 Risse für die erfindungsgemäße Kappe. Mithin konnte gezeigt werden, dass die erfindungsgemäßen Kappen das Risiko für LME gegenüber einer Schweißkappe mit sprunghafter Änderung des Krümmungsradius am Übergang zum Übergangsabschnitt deutlich minimieren.