CIQTEK SEM-Studie zeigt, dass Elektroden mit erhöhtem Ring das Punktschweißen von Aluminiumlegierungen und die Lebensdauer der Elektroden verbessern

Aluminiumlegierungen, die aufgrund ihres außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses geschätzt werden, sind ideale Werkstoffe für den Leichtbau im Automobilbau. Widerstandspunktschweißen (RSW) ist nach wie vor das gängigste Fügeverfahren im Karosseriebau. Die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit von Aluminium in Verbindung mit seiner Oberflächenoxidschicht erfordert jedoch Schweißströme, die weit über denen für Stahl liegen. Dies beschleunigt den Verschleiß der Kupferelektroden, was zu instabiler Schweißnahtqualität, häufigem Elektrodenwechsel und erhöhten Produktionskosten führt. Verlängerung der Elektrodenlebensdauer Die Sicherstellung der Schweißnahtqualität hat sich zu einem kritischen technologischen Engpass in der Branche entwickelt.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, führte das Team von Dr. Yang Shanglu am Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics eine eingehende Studie durch, in der die CIQTEK FESEM SEM5000 Sie entwickelten eine innovative Elektrode mit erhöhtem Ring und untersuchten systematisch den Einfluss der Ringanzahl (0–4) auf die Elektrodenmorphologie. Dabei deckten sie den intrinsischen Zusammenhang zwischen Ringanzahl, Kristallfehlern im Schweißkern und Stromverteilung auf. Ihre Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung der Anzahl der erhabenen Ringe die Stromverteilung optimiert, die Wärmeeinbringungseffizienz verbessert, den Schweißpunkt vergrößert und die Lebensdauer der Elektrode deutlich verlängert. Die erhöhten Ringe verbessern insbesondere das Eindringen in die Oxidschicht, wodurch der Stromfluss erhöht und gleichzeitig Lochfraßkorrosion reduziert wird. Dieses innovative Elektrodendesign bietet einen neuen technischen Ansatz zur Minderung des Elektrodenverschleißes und legt eine theoretische und praktische Grundlage für den breiteren Einsatz des Widerstandsschweißens von Aluminiumlegierungen in der Automobilindustrie. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht. Zeitschrift für Materialverarbeitungstechnik. unter dem Titel „ Untersuchung des Einflusses der Elektrodenoberflächenmorphologie auf das Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen. „

Durchbruch im Design von Elektroden mit erhöhtem Ring

Angesichts der Herausforderung des Elektrodenverschleißes ging das Team das Problem von der Elektrodenmorphologie aus an. Sie bearbeiteten 0 bis 4 konzentrische Erhebungen auf der Endfläche herkömmlicher sphärischer Elektroden und schufen so eine neuartige Newton-Ring-Elektrode (NTR).

Abbildung 1. Oberflächenmorphologie und Querschnittsprofil der im Experiment verwendeten Elektroden.

SEM-Analyse deckt Kristallfehler und Leistungsverbesserung auf

Wie beeinflussen erhabene Ringe die Schweißleistung? Verwendung der CIQTEK FESEM SEM5000 und EBSD-Techniken Das Team charakterisierte die Mikrostruktur der Schweißpunkte detailliert. Sie stellten fest, dass die erhabenen Ringe während des Schweißens die Aluminiumoxidschicht durchdringen, die Stromverteilung optimieren, den Wärmeeintrag beeinflussen und das Wachstum des Schweißpunktes fördern. Noch wichtiger ist, dass die mechanische Wechselwirkung zwischen den erhabenen Ringen und dem geschmolzenen Metall die Dichte von Kristallfehlern, wie geometrisch notwendigen Versetzungen (GNDs) und Kleinwinkelkorngrenzen (LAGBs), im Schweißpunkt deutlich erhöht. Optimale Ergebnisse wurden mit drei erhabenen Ringen (NTR3) erzielt.

Abbildung 2. EBSD-Analyse der Schweißpunkt-Mikrostruktur für die Elektroden NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 und NTR4

Verlängerte Elektrodenlebensdauer

Neben der Verbesserung der Schweißnahtqualität weisen die Elektroden mit erhöhtem Ring eine hervorragende Abriebfestigkeit auf. Nach einem Lebensdauertest über zehn Schweißungen war der Unterschied im Elektrodenverschleiß deutlich sichtbar.

Abbildung 3. Lebensdauer der Elektroden NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 und NTR4

Quantitative Analyse

Die NTR0-Elektrode ohne erhabene Ringe wies eine Verschleißfläche von 13,49 Millionen μm² auf.

Im Vergleich dazu reduzierten NTR3- und NTR4-Elektroden mit drei bzw. vier erhöhten Ringen die Verschleißflächen auf 4,35 Millionen μm² bzw. 3,98 Millionen μm², was einer Reduzierung von 67,8 % bzw. 70,5 % entspricht.

Die erhabene Ringstruktur konzentriert den Strom entlang der Ringe, lenkt den Verschleiß auf vorgegebene Pfade und verhindert eine zufällige Ausbreitung von Vertiefungen, wodurch die Lebensdauer der Elektrode effektiv verdoppelt wird.

Abbildung 4. Lochfraßbereich der Elektroden NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 und NTR4 nach 5 und 10 Schweißungen: (a) 5. Schweißung, (b) 10. Schweißung.

Mikroanalyse der Elektrodenpitting

Weitere REM-Analysen der NTR0-Elektroden nach dem Verschweißen bis zur Haftung auf dem Aluminiumblech zeigten eine 10 μm dicke intermetallische Verbindungsschicht (IMC) zwischen Elektrode und Blech. Diese Übergangsschicht besteht aus zwei kupferhaltigen Teilschichten:

In der Nähe der Elektrode: dünnere Unterschicht mit 29,2 Atom-% Cu (Al ₄ Cu ₉ Phase).

In der Nähe der Aluminiumlegierung: dickere Zwischenschicht mit 15,5 Atom-% Cu (AlCu) ₂ Phase).

Abbildung 5. Zusammensetzungsanalyse der Lochfraßstellen zwischen Elektrode und Blech

Diese Studie zeigt, dass eine innovative Elektrodenmorphologie die Stromverteilung effektiv regulieren und so die Schweißqualität verbessern und gleichzeitig die Lebensdauer der Elektrode verlängern kann. CIQTEK FESEM-Mikroskop Sie lieferten unverzichtbare Visualisierungen und quantitative Belege für mikroskopische Mechanismen, einschließlich der Entwicklung von Kristallfehlern und der Lochfraßkorrosion an Elektroden, und unterstrichen damit die entscheidende Rolle der fortgeschrittenen Charakterisierung für die Weiterentwicklung der Schweißforschung und industrieller Anwendungen.