AT413502B

AT413502B - Verfahren zum verbinden von stahl- und aluminiumbauteilen mittels schmelzschweissen

Info

Publication number: AT413502B
Application number: AT0126203A
Authority: AT
Inventors: Klaus Dipl Ing Dr Tech Wichart
Original assignee: Schweisstechnische Zentralanst
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2006-03-15
Also published as: ATA12622003A

Description

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AT 413 502 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Stahl- und Aluminiumbauteilen mittels Zusatzmaterial in Form eines Bimetalldrahtes (6) bestehend aus Stahl und Aluminium, wobei der Bimetalldraht so positioniert wird, dass die Bimetallstahlflanke (2) mit der Nahtflanke des Grundwerkstoffes des Stahlbauteiles (1) und die Bimetallaluminiumflanke (4) mit der Naht-5 flanke des Grundwerkstoffes des Aluminiumbauteiles (5) einander kontaktieren.

Da Stahl eine wesentlich höhere Schmelztemperatur (etwa 1536eC) als Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen (etwa 660°C) aufweist, ist beim Aufschmelzen der Stahlnahtflanke beim Verbindungsschweißen bereits die Aluminiumnahtflanke aufgeschmolzen und dünnflüssig oder io auch teilweise verdampft. Die Siedetemperatur von Stahl beträgt etwa 2860°C und die Siedetemperatur von Aluminium beträgt etwa 2520°C.

Die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturleitzahl von Aluminium ist wesentlich größer (Radaj. Dieter: Schweißprozeßsimulation, DVS-Veriag,1999, Bd. 141, Seite 151 Bild 6. und Seite 163 15 Tabelle 6.1.) als die von Stahl, wodurch die ausgeprägte Wärmeeinflusszone bei gleicher ein-gebrachten Streckenenergie bei Aluminium größer ist als bei Stahl.

Zusätzlich sind Eisen und Aluminium ineinander nur begrenzt löslich und bilden bereits bei 350 bis 400°C zahlreiche intermetallische Phasen, von denen die meisten spröde sind und eine 20 geringe Festigkeit aufweisen, siehe American Society for Metals: Metals Handbook - Metal-lograhy Structures and Phase Diagrams - 8th Edition, Volume 8; Seite 260, Diagram Aluminium-Iron.

Folgende Verbindungsarten sind derzeit im Einsatz bzw. in Entwicklung 25 - Nietverbindung (Stand der Technik) - Clinchverbindung (Stand der Technik) - Klebeverbindung (Stand der Technik) - Löten (Stand der Technik) 30 - Reibschweißen (Stand der Technik) - Explosionsschweißen (Stand der Technik) - Schweiß-Lötverbindung (in Entwicklung - siehe Prof. U. Fussel: Warum nicht Aluminium und Stahl mit Metall-Inertgaslöten verbinden?; Zeitschrift: der Praktiker, Jg 2003 DVS-Veriag, Seite 12°) 35 - Schmelzschweißen (Überlappnähte - Patente: RU 2 049 615, RU 2 043 889, JP 7132380)

Bei der Schweiß-Lötverbindung schmilzt der Aluminiumwerkstoff und der aufgeschmolzene Aluminiumwerkstoff verbindet sich mit dem eingebrachten Zusatzwerkstoff als Schmelzschweißverbindung und der nicht aufgeschmolzene Stahlwerkstoff verbindet sich mit dem auf-40 geschmolzenen Zusatzwerkstoff als Lötverbindung. Dieses Verfahren wird für Dünnblechverbindungen angewendet, wobei Überlappnähte zum Einsatz kommen.

In den Patentschriften RU 2 049 615, RU 2 043 889 und JP 7132380 werden Verfahren zum Verbinden von Stahl- und Aluminiumbauteile am Überlappstoß beschrieben. Im Gegensatz 45 hierzu erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine Überlappstöße und eignet sich insbesondere für das Verschweißen von Stumpfstößen, wodurch ein großer technischer Vorteil hinsichtlich der Universalität des Verfahrens erzielt wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Verbindungen am Stumpfstoß gegenüber der Verbindungen am Überlappstoß ist der sich ergebende günstigere Kraftfluss, der das Tragverhalten besonders bei Schwingbeanspruchung so positiv beeinflusst. Weitere Vorteile der Verbindungen am Stumpfstoß sind das erzielbare Materialersparnis, die Gewichtsreduzierung und Platzersparnis. JP 7132380 beschreibt ein Widerstandspunktschweißverfahren. Bei Widerstandspunktschweißen handelt es sich um ein Verfahren, bei dem sich die Werkstücke überlappen. 55 3

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Die Patentschriften RU 2 049 615 und RU 2 043 889 beschreiben Verfahren zum Verbinden von Stahl- und Aluminiumbauteile am Überlappstoß unter Verwendung eines Übergangsstückes. Bei diesem Übergangstück handelt es sich um ein spezifisches für den jeweiligen Anwendungsfall, der Konstruktion angepasstes, steifes und unflexibles Bimetall-Übergangsstück. Im 5 Gegensatz hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein standardisierbares Zusatzmaterial in Form eines flexiblen Bimetalldrahtes eingesetzt, wodurch eine außerordentliche Universalität des Verfahrens gegeben ist.

Es gibt derzeit kein Verfahren, dass Bleche mit beliebigen aber kontinuierlichen Schweißnaht-io verlauf (siehe Figur 1) im mittleren Dickenbereich verbindet.

Weiters weist eine Schweißverbindung höhere Festigkeitswerte als eine Schweißlötverbindung auf. 15 Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Schweißverfahren zur Verbindung von Stahlbauteilen (1) und Aluminiumbauteilen (5) am Stumpfstoß (siehe auch Figur 1), basierend auf einen Zusatzmaterial, welches als biegsamer Bimetalldraht (6) mit einem Drahtvorschubgerät in die Schweißfuge (9) eingebracht oder manuell in die Schweißfuge (9) eingelegt wird und mittels eines Doppelstrahl- bzw. Lichtbogenschweißverfahren (7) an seinen Flanken (2), (4) mit dem 20 jeweiligen Grundwerkstoff (1), (5) verschweißt wird, siehe auch Figurenbeschreibung. Das wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Bimetalldraht (6) biegsam ausgeführt ist, dieser während des Schweißvorganges so in die notwendigerweise stetig verlaufende Schweißfuge (9) zugeführt und das durch parallel geführte schweißtechnische Werkzeuge (7) ein Doppelschweißverfahren am Stumpfstoß (s. Figur 1) durchgeführt wird. 25

Stellt man nun einen Bimetallschweißzusatz als Draht, Band oder Einsatz her, der durch Reib-schweiß-, Pressschweiß- oder Explosionsschweißverfahren und anschließenden Bearbeitungsund Ziehprozessverfahren hergestellt wurde, so entsteht ein Zusatz der auf der einen Seite eine Stahlflanke (2) und auf der anderen Seite eine Aluminiumflanke (4) aufweist und durch die 30 Bimetallschweißverbindung (3), zu einen Draht verbunden ist.

Mit Hilfe eines Doppelschweißverfahrens (7) kann nun die Stahlflanke des Bimetalldrahtes (2) mit dem Stahlblech (1) und die Aluminiumflanke (4) des Bimetalldrahtes mit dem Aluminiumblech (5) verbunden werden. Mit diesem Doppelschweißverfahren kann man jede stetig verlau-35 fende Schweißnaht hersteilen.

Es ist nun sicherzustellen, dass die Bimetallschweißverbindung (3) des Schweißdrahtes durch die Wärmeinbringung nicht aufgeht und keine nennenswerten Diffusionsvorgänge auftreten, die zu intermetallischen Verbindungen führen. Es sind daher an sich bekannte Schweißverfahren 40 (z.B Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Wolframinertgasschweißen, Wolframinertgasplasmastrahlsschweißen, Wolframinertgasplasmalichtbogensschweißen gepulst oder unge-pulst) anzuwenden, die den thermischen Erfordernissen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerecht werden. 45 Besonders beim Strahlschweißen (z.B. Laserschweißen) wird durch das Stichlochschweißverfahren die Energie gebündelt eingebracht und ergibt - da dieses Verfahren nicht wie das Lichtbogen- und Plasmalichtbogenschweißverfahren durch Wärmeleitung schweißt - eine kleine Schweißnahtbreite mit einer geringen Wärmeeinflußzone. so Bei richtiger Wärmeführung und geringer eingebrachten Streckenenergie geht die Bimetallschweißverbindung (3) nicht auf, beziehungsweise die Temperaturbelastung der Bimetallschweißung ist so kurzfristig, dass keine intermetallischen Verbindungen durch nennenswerte Diffusionsvorgänge auftreten. 55 Der Temperaturverlauf einer Laserschweißung mit geringer und hoher Streckenenergie zeigt,

Claims

4 AT 413 502 B dass die gewählte Streckenenergie maßgeblich den Temperaturverlauf für Stahl und Aluminiumschweißung beeinflusst, zum Beispiel in Figur 2 wiedergegeben. Besonders wenn man mit dem Strahl nicht in der Trennfläche (2), (4), sondern neben der 5 Trennfläche (13) auf der Blechseite einkoppelt, kann die Schmelzzone auf der Bimetallseite reduziert werden und damit die Temperaturbelastung des Bimetalldrahtes. Der biegsame Bimetalldraht muss derartig gestaltet sein, dass der Bimetalldraht nur geringe Außenabmessungen aufweist, dass die inneren maximalen Schubspannungen und die Zug, io Druckspannungen die erforderlichen Drahtbiegungen auch bei vorhandener Wärmebelastung aushalten. Mit der Prinzipskizze siehe Figur 1 ist der Erfindungsgedanke auch näher erläutert. 15 Figur 1: Prinzipskizze Bimetall-Doppelschweißverfahren 1 ... Stahlbauteil 2 ... Stahlflanke des Bimetalldrahtes und Trennfläche zum Stahlblech 3 ... Bimetallschweißverbindung des Schweißdrahtes, Trennfläche 20 25 30 35 4 ... Aluminiumflanke des Bimetalldrahtes und Trennfläche zum Aluminiumblech 5 ... Aluminiumbauteil 6 ... Zusatzmaterial in Form eines biegsamen Bimetalldrahtes 7 ... Doppelschweißverfahren: Als Werkzeug kommt der an sich bekannte Lichtbogen oder der Plasmalichtbogen oder der Plasmastrahl oder der Laserstrahl oder der Elektronenstrahl für das Aufschmelzen der Materialien zur Anwendung, wobei in der Figure 1 die Strahl- bzw. Lichtbogenachse eingezeichnet ist. 8 ... Drahtförderrollen 9 ... Schweißfuge b ... Schweißfugenbreite t ... Schweißfugentiefe 10 ... Drahtförderrollen 11 ... Rollenführung 12 ... Kurvenverlauf 13 ... Strahl neben der Trennfläche auf der Blechseite eingekoppelt Figur 2: Temperaturverlauf bei unterschiedlicher eingebrachter Streckenenergie E1 und E2 Figur 2.1: Streckenenergie E1 Figur 2.2: Streckenenergie E2 = 1,67 x E1 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Verschweißen von Stahl- und Aluminiumbauteilen mittels Zusatzmaterial in 45 Form eines Bimetalldrahtes (6) bestehend aus Stahl und Aluminium, wobei der Bimetall draht so positioniert wird, dass die Bimetallstahlflanke (2) mit der Nahtflanke des Grundwerkstoffes des Stahlbauteiles (1) und die Bimetallaluminiumflanke (4) mit der Nahtflanke des Grundwerkstoffes des Aluminiumbauteiles (5) einander kontaktieren dadurch gekennzeichnet, so - dass der Bimetalldraht (6) biegsam ausgeführt ist, dieser während des Schweißvorgan ges so in die notwendigerweise stetig verlaufende Schweißfuge (9) zugeführt und das durch parallel geführte schweißtechnische Werkzeuge (7) ein Doppelschweißverfahren am Stumpfstoß (s. Figur 1) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Zusatzma- 5 AT 413 502 B terials (6) kreisförmig, viereckig oder dreieckig ausgestaltet ist, jedenfalls entsprechend der Form des Querschnittes der Schweißfuge (9).
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfläche (3) des Bime- 5 tallschweißdrahtes durch die Begrenzung der - durch die schweißtechnischen Werkzeuge (7) - eingebrachten Streckenenergien in ihrer Funktion erhalten bleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Querschnitt des zugeführten biegsamen Bimetalldrahtes (6) von einem Rechteck umschrieben werden io kann, dessen Seitenlangen korrespondierend zur Schweißfugenbreite (b) nicht größer als 5 (mm) und korrespondierend zur Schweißfugentiefe (t) nicht größer als 10 [mm] ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gezeichnet, dass die mechanische Zuführung und die Positionierung des Bimetalldrahtes in der Schweißfuge durch eine Rollenführung (11) die 15 den Bimetalldraht formschlüssig in die Schweißfuge hineinpresst, wobei durch seitliche schwenkbare Drahtförderrollen (8), (10) der Bimetalldraht (6) entsprechend dem vorgegebenen Kurvenverlauf (12) der Schweißfuge vorgeformt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die erforderli-20 chen schweißtechnischen Werkzeuge (7), wobei als Werkzeug vorzugsweise der an sich bekannte Lichtbogen oder der Plasmalichtbogen oder der Plasmastrahl oder der Laserstrahl oder der Elektronenstrahl für das Aufschmelzen der Materialien z.B. Nd-YAG-Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Wolframinertgaslichtbogenschweißen, Wolframinertgasplasmastrahlschweißen, Wolframinertgasplasmalichtbogenschweißen zur 25 Anwendung kommen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl neben der Trennfläche (2), (4) eingekoppelt wird (13), wobei die Bimetallschweißverbindung (3) des Bimetallschweißdrahtes in der erforderlichen Festigkeit erhalten bleibt. 30 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 55