Electrode degradation during resistance spot welding of conversion coated hot dip galvanized steel sheets

Abstract

Stahlbänder werden für ihren Transport zur weiteren Verarbeitung generell geschützt, im einfachsten Fall wird das durch eine Beölung der Oberfläche realisiert. Die Verwendung von Öl hat jedoch Nachteile aufgrund einer mangelnden Haftung auf der metallischen Oberfläche und der damit verbundenen Verunreinigung der Lagerumgebung. Unabhängig davon steigt die Nachfrage nach multifunktionalen Beschichtungssytemen für Stahlbänder stetig, z.B. zusätzlich zu einem Transportschutz eine Verbesserung der Umformbarkeit sowie ein Korrosionsschutz für das gefertigte Bauteil nach der Produktion. Aufgrund des Verbotes der Verwendung von Cr(VI) beinhaltenden Systemen wurden Cr-freie Beschichtungssysteme entwickelt und sind auch bereits vermehrt im Einsatz. Ein wichtiger Part dieser sogenannten multifunktionellen Systeme ist die Gewährleistung der Prozesssicherheit während der weiteren Verarbeitung, z.B. Umformen wie auch Fügen. Im Fall des Widerstandsschweißens, z.B. Punktschweißen oder Buckelschweißen, ist diese nur bedingt gegeben durch eine Verminderung der Standzeit der Schweißelektrode. Ziel dieser Arbeit ist die detaillierte Klärung dieser eingeschränkten Fügeeignung, z.B. Abhängigkeit der Elektrodenkappenbelegung von der elementaren Zusammensetzung eines Systems. Ausgehend von der Untersuchung des Phänomens einer deutlichen Verbesserung der Schweißeignung aufgrund einer Beölung der feuerverzinkten Oberfläche, werden Methoden entwickelt unterschiedliche Beschichtungssysteme hinsichtlich ihrer Schweißeignung fundamental zu vergleichen, z.B. anhand des dynamischen Durchgangs-widerstandes. Es kann eindeutig gezeigt werden, dass die verminderte Schweißeignung nicht von der Beschichtung herrührt, sondern eine intrinsische Eigenschaft der feuerverzinkten Stahlbandoberfläche ist (Einfluss durch den Aluminiumgehalt). Diese grundlegende Schweißeignung, d.h. nicht geöltes feuerverzinktes Band, kann von bestimmten chemischen Elementen einer Oberflächenbeschichtung entwederverbessert, oder aber auch zusätzlich verschlechtert werden, z.B. Silizium und Phosphor. Aufgrund dieser Ergebnisse kann ein Modellsystem entwickelt werden, um die Schweißeignung zu verbessern. Letzteres basiert auf der Zugabe von Komponenten in die Matrix des Beschichtungssystems um einerseits einen Materialtransport aus dem Elektrode-Stahlband Kontakt auszulösen, andererseits konnte eindeutig gezeigt werden, dass die Verminderung von Oxidation der kontaktierenden Flächen den Schweißprozess generell verbessert (Inertgas). Alternativ dazu kann die Schweißeignung ebenso verbessert werden, indem ein Beschichtungssystem so gewählt wird, dass sich eine halbleitende Schicht auf der Elektrodenkappe bildet, die dem Schweißprozess nur marginal schadet. Dies konnte für Cr(III) basierte Systeme eindeutig gezeigt werden.

Cr(VI) based systems are worldwide restricted. Thus, different Cr-free based coating systems have been developed and are already industrially in-line applied on metallic coated steel sheets. Following manufacturing processes, e.g., joining, must not be influenced negatively by this systems with enhanced functionality (compared to lubrication). However, a distinct influence of certain systems on resistance welding was experienced in the past, i.e., a drastic limitation of electrode life according to electrode degradation. Objective of this work was the fundamental characterization of this degradation process. Methods were derived to later-on characterize different coating systems. It is commonly known that surface lubrication improves the spot welding process of hot dip galvanized steel sheets. Therefore, the evolution of the dynamic conduction resistance of lubricated and non lubricated hot dip galvanized steel sheets was characterized in advance to the -multi-functional- systems. From this, a reduction of weldability could be referred to the nature of a hot dip galvanized zinc layer: the native barrier layer between the steel sheet and the zinc coating (mainly aluminum content) clearly hindered the spot welding process in case of absence of lubrication. Any additional coating system applied on the bare - non lubricated - zinc surface could either improve or reduce this fundamental property. A negative influence of distinct chemical elements incorporated in the different coating systems could be identified to decrease weldability, e.g., silicon and phosphorous. The methods derived within this thesis proposed an improvement of the intrinsic low weldability of hot dip galvanized steel sheets using specially modified coating system. On the one hand, incorporation of elements improving material transport out from the electrode steel-sheet interface would lead to limited electrode degradation. On the other hand, a limitation of oxidation would improve the welding process in general. Improvement of spot welding via oxidation limitation was verified by means of resistance spot welding in inert-gas atmosphere. In alternative thereto, a functional coating system could be said to deposit a semi-conducting layer on the welding electrode cap surface, barely reducing weldability. This was the case for a Cr(III) based coating systems.