AT413503B

AT413503B - Verfahren zum fügen zweier bleche einerseits aus einem aluminiumwerkstoff und anderseits aus einem eisen- oder titanwerkstoff

Info

Publication number: AT413503B
Application number: AT0151402A
Authority: AT
Inventors: Christian Dipl Ing Schmaranzer; Karl-Heinz Ing Dr Stellnberger
Original assignee: Voestalpine Stahl Gmbh
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2006-03-15
Also published as: CN100381243C; ATA15142002A; CN1703296A

Description

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AT 413 503 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen zweier Bleche einerseits aus einem Aluminiumwerkstoff und anderseits aus einem Eisen- oder Titanwerkstoff durch eine Schweiß-Lötverbindung unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, wobei der Eisen- oder Titanwerkstoff zumindest im Fügebereich mit einer Beschichtung vorzugsweise auf Zink- oder Alumini-5 umbasis versehen wird, bevor der Zusatzwerkstoff zur Ausbildung einer Verbindungsnaht unter einem Schmelzen aufgebracht wird.

Zum Fügen eines Aluminiumwerkstoffes mit einem Stahlwerkstoff wird der Aluminiumwerkstoff im Fügebereich aufgeschmolzen, so daß das schmelzflüssige Aluminium den Stahlwerkstoff io benetzt und sich nach der Abkühlung eine stoffschlüssige Verbindung ergibt. Im Übergangsbereich zwischen den Werkstoffen werden allerdings spröde intermetallische Phasen gebildet, die die Belastbarkeit der Verbindung maßgebend mitbestimmen. Um die Dicke dieser intermetallischen Phasensäume klein zu halten, müssen die Diffusionsbedingungen im Übergangsbereich der Werkstoffe entsprechend beeinflußt werden, indem die Schmelzphase unter Einhaltung 15 vergleichsweise großer Erwärmungs- und Kühlraten auf eine kurze Zeitspanne beschränkt wird. Dies gelingt vorteilhaft, wenn die zu verbindenden Bleche in einem überlappenden Stoß angeordnet und im Überlappungsbereich vom Stahlwerkstoff her mit einem defokussierten Laserstrahl erwärmt werden. Die überlappten Verbindungsstöße bedingen allerdings eine örtlich höhere Steifigkeit für eine spätere Umformung der gefügten Bleche. Außerdem ist aufgrund der 20 elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen Stahl- und Aluminiumwerkstoffen mit einer hohen Korrosionsneigung im Bereich des Überlappungsstoßes zu rechnen, zumal im Überlappungsbereich nicht mit einem vollständigen Schließen der Trennfuge gerechnet werden kann, selbst wenn beim Aufschmelzen des Aluminiumwerkstoffes ein Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis zugeführt wird. Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich beim Fügen von Blechen einerseits 25 aus einem Aluminium- und anderseits aus einem Titanwerkstoff, weil auch bei dieser Werkstoffkombination ein spröder, intermetallischer Phasensaum auftritt.

Um das Auftreten spröder intermetallischer Phasen im Bereich einer Verbindungsnaht zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff weitgehend zu vermeiden, ist es außerdem be-30 kannt (DE 10 017 453 A1), den Stahlwerkstoff zumindest im Fügebereich mit einer Beschichtung auf Zink- oder Aluminiumbasis zu versehen, bevor ein Zusatzwerkstoff auf Zinkbasis zur Ausbildung einer Verbindungsnaht unter einem Schmelzen zwischen dem Stahl- und dem Aluminiumwerkstoff aufgetragen wird. Dieser Zusatzwerkstoff geht mit dem Aluminiumwerkstoff eine schmelzmetallurgische Schweißverbindung ein und dient als Lot für die Verbindung mit 35 dem Stahlwerkstoff, wobei jedoch der Zusatzwerkstoff nicht in schmelzflüssigen Kontakt mit dem Stahlwerkstoff, sondern ausschließlich mit dem Beschichtungswerkstoff kommt, so daß aufgrund des gewählten Zusatzwerkstoffes auf Zinkbasis intermetallische Phasen weitgehend unterdrückt werden können. Nachteilig bei diesem bekannten Fügeverfahren ist allerdings, daß die durch den Zusatzwerkstoff gebildete Verbindungsnaht nur im Zwickelbereich zwischen zwei 40 divergierenden Oberflächenbereichen der zu fügenden Werkstoffe vorgesehen werden kann und einen vom Aluminiumwerkstoff deutlich unterschiedlichen Zusatzwerkstoff auf Zinkbasis voraussetzt.

Schließlich ist es bekannt (GB 964 743 A), zwei Bleche einerseits aus einem Aluminiumwerk-45 Stoff und anderseits aus einem Eisenwerkstoff in Form eines stumpfen Stoßes zu fügen, wobei zur Herstellung der Verbindungsnaht ein Aluminiumwerkstoff eingesetzt wird. Das Blech aus dem Eisenwerkstoff wird hiefür zumindest an der Verbindungsstelle verzinkt, um eine besonders gute Haftung des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffes auf Aluminiumbasis am Eisenwerkstoff zu erreichen. Diese Fügung in Form eines stumpfen Stoßes ist jedoch für höhere so Belastungen ungeeignet, so daß zur Erhöhung der Belastbarkeit der Verbindungsnaht vorgeschlagen wird, das Blech aus dem Eisenwerkstoff im Bereich der Schweißnaht mit Aussparungen oder Löchern zu versehen, so daß sich zwischen der Naht aus dem aufgeschmolzenen Aluminiumwerkstoff und dem Eisenwerkstoff eine mechanische, formschlüssige Verbindung ergibt, was jedoch einen zusätzlichen Herstellungsaufwand mit sich bringt, ohne die angestreb-55 te hohe Belastbarkeit der Verbindungsnaht gewährleisten zu können. 3

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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen zweier stumpf stoßender Bleche einerseits aus einem Eisen- oder Titanwerkstoff und anderseits aus einem Aluminiumwerkstoff anzugeben, das eine allen Belastungsanforderungen genügende, dauerhafte Verbindung zwischen den Blechen unterschiedlicher Werkstoffe ermöglicht, ohne einen nicht 5 auf Aluminiumbasis beruhenden Zusatzwerkstoff einsetzen zu müssen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die beiden Bleche in Form eines stumpfen Stoßes gefügt werden, wobei der Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis zur Ausbildung der Verbindungsnaht auf beiden Blech-io seiten in einem den Stoß überbrückenden Bereich auf das Blech aus dem Eisen- oder Titanwerkstoff in einer wenigstens der dreifachen Dicke dieses Bleches entsprechenden Breite aufgebracht wird.

Zufolge dieser Maßnahmen deckt die durch den Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis gebildete 15 Verbindungsnaht auf beiden Blechseiten einen Randbereich des Eisen- oder Titanwerkstoffes in einer wenigstens der dreifachen Dicke dieses Bleches ab, was nicht nur die Fügefläche vergrößert, sondern auch eine wesentliche Voraussetzung dafür darstellt, daß im Stoßbereich keine Spaltkorrosion auftreten kann. Da außerdem die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen der Beschichtung des Eisen- oder Titanwerkstoffes und dem Zusatzwerkstoff im 20 Vergleich zur Potentialdifferenz zwischen dem Eisen- oder Titanwerkstoff und dem Aluminiumwerkstoff deutlich herabgesetzt ist, kann die Gefahr einer Kontaktkorrosion entscheidend reduziert werden. Durch die Beschichtung des Eisen- oder Titanwerkstoffes im Fügebereich wird außerdem die Neigung zur Bildung spröder, intermetallischer Phasen verringert. Zu diesem Zweck kann auch der Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis in an sich bekannter Weise zur 25 Steigerung der Festigkeit legiert werden, so daß sich für die erfindungsgemäße Verbindung eine hohe Belastungsfähigkeit ergibt, zumal über die den Stoß zwischen den beiden Blechen überbrückende Verbindungsnaht der tragende Querschnitt vergrößert wird. Aufgrund des Übergriffs des Zusatzwerkstoffes auf das Blech aus dem Eisen- oder Titanwerkstoff in einer wenigstens der dreifachen Dicke dieses Bleches entsprechenden Breite können im Nahtbereich in 30 überraschender Weise zumindest Festigkeitswerte eingehalten werden, wie sie sich in den anschließenden Blechbereichen ergeben.

Um eine allmähliche Lastübernahme zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen unter Vermeidung von übermäßigen Spannungsspitzen zu erreichen, kann das Blech aus dem Eisen-35 oder Titanwerkstoff vorteilhaft im Stoßbereich zumindest auf einer Blechseite mit einer Abschrägung versehen werden, so daß sich der tragende Querschnitt des Eisen- oder Titanwerkstoffes gegen den Aluminiumwerkstoff hin verringert, während der tragende Querschnitt des Aluminiumwerkstoffes entsprechend vergrößert wird. Diese Abschrägung muß aber wie der übrige Fügebereich mit einer Beschichtung auf Zink-, Zinn- oder Aluminiumbasis abgedeckt 40 werden, um die werkstoffliche Anbindung zwischen dem Eisen- oder Titanwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff zu gewährleisten. Die den Stoßbereich zwischen den Blechen überbrückende Verbindungsnaht durch den Zusatzwerkstoff bringt zwar eine Überhöhung des Stoßbereiches mit sich, doch spielt diese Überhöhung durch die beidseitige Verbindungsnaht beispielsweise für eine spätere Umformung der stumpf gefügten Bleche keine entscheidende Rolle. Unter 45 Umständen kann die Verbindungsnaht auch durch eine plastische Verformung abgeflacht werden. Es ist außerdem möglich, die beiden Bleche so zu fügen, daß ihre Oberflächen auf einer Seite in einer gemeinsamen Ebene liegen, und nach dem Aufbringen der Verbindungsnaht im Nahtbereich um die jeweilige Dicke des Nahtüberstandes über die gemeinsame Oberfläche von dieser weg auszubiegen. Durch diese Maßnahme ergibt sich auf einer Seite eine sich stufenlos so über die Verbindungsnaht durchgehende Oberfläche der gefügten Bleche.

Aufgrund der beidseitigen Abdeckung des Randbereiches des Eisen- oder Titanwerkstoffes durch die Verbindungsnaht beschränkt sich eine mögliche Spaltkorrosion auf den Übergangsbereich zwischen dem Längsrand der Verbindungsnaht auf der Seite des Eisen- oder Titan-55 Werkstoffes und dessen Beschichtung. Weist der Beschichtungswerkstoff eine beschränkte 4

AT 413 503 B Löslichkeit im Aluminium auf, so tritt unter Umständen die Gefahr auf, daß sich in diesem Übergangsbereich der Beschichtungswerkstoff im Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis anreichert und einen Ausgangspunkt für einen Korrosionsangriff bildet. Um selbst diese geringe Gefahr in einfacher Weise abwenden zu können, kann die durch den Zusatzwerkstoff gebildete Verbin-5 dungsnaht zwischen den beiden Blechen zumindest auf einer Blechseite im Übergangsbereich zum beschichteten Eisen- oder Titanwerkstoff durch eine Korrosionsschutzschicht, insbesondere eine Lackschicht abgedeckt werden. 10 15 20 25 30 35 40 45

Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 zwei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügte Bleche einerseits aus einem Stahl- und anderseits aus einem Aluminiumwerkstoff ausschnittsweise im Stoßbereich in einem Schnitt senkrecht zum Stoß, Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung mit einer durch ein plastisches Verformen abgeflachten Verbindungsnaht, Fig. 3 eine ebenfalls der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindungsnaht und Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Verbindungsnaht, jedoch nach einer zusätzlichen Umformung. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 sollen zwei Bleche 1 und 2 einerseits aus einem Stahl- und anderseits aus einem Aluminiumwerkstoff stumpf stoßend gefügt werden. Zu diesem Zweck wird das Blech 1 aus dem Stahlwerkstoff im Bereich des die Stoßstelle bildenden Randes mit beidseitigen Abschrägungen 3 versehen, die wie die übrigen Flächen des Fügebereiches beschichtet werden, und zwar vorzugsweise auf Zinkbasis. Nach einem Zusammenführen der zu fügenden Bleche 1 und 2 wird im Stoßbereich ein Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis auf beiden Blechseiten aufgebracht und mit Hilfe eines Lichtbogens geschmolzen, wobei sich eine schmelzmetallurgische Schweißverbindung zwischen dem Aluminiumwerkstoff des Bleches 2 und dem die Verbindungsnaht 4 bildenden Zusatzwerkstoff ergibt. Diese durch ein Aufschmelzen des Aluminiumwerkstoffes erhaltene Schweißverbindung ist durch eine einheitliche Schraffur des Bleches 2 und der Verbindungsnaht 4 veranschaulicht, während der ursprüngliche Rand des Bleches 2 strichliert angedeutet ist. Der schmelzflüssige Zusatzwerkstoff stellt für die Anbindung an das Blech 1 ein Lot dar, das allerdings nicht nur im unmittelbaren Stoßbereich der beiden Bleche 1 und 2 aufgetragen wird, sondern den Stoß überbrückt und den Rand des Bleches 1 aus dem Stahlwerkstoff beidseitig übergreift. Dabei wird der Zusatzwerkstoff auf das Blech 1 in einem Überbrückungsbereich aufgebracht, der eine wenigstens der dreifachen Dicke d entsprechende Breite b aufweist, um den korrosionsbedingten Festigkeitsabfall der Verbindung durch entsprechend lange Korrosionswege unter dem korrosionsbedingten Festigkeitsabfall des schwächeren Grundwerkstoffes zu halten. Nach dem Herstellen der Verbindungsnaht 4 können die gefügten Bleche 1 und 2 mit einer Korrosionsschutzschicht versehen werden. Zu diesem Zweck können die Bleche 1, 2 in herkömmlicher Weise einer Tauchlackierung unterzogen werden, wobei der Übergangsbereich 5 zwischen der Verbindungsnaht 4 und dem beschichteten Blech 1 aus dem Stahlwerkstoff durch die Lackschicht mit dem Vorteil abgedeckt wird, daß in diesem Übergangsbereich 5 keine Korrosion auftreten kann, die sich mit der Zeit gegen den unmittelbaren Stoßbereich hin fortpflanzen könnte.

Da zur gegenseitigen Anpassung der Eigenfestigkeiten die Dicke des Bleches aus dem Alumiso niumwerkstoff größer als die Dicke d des Bleches 1 aus dem Stahlwerkstoff gewählt wird, kann sich durch die Verbindungsnaht 4 eine entsprechende Überhöhung der Verbindungsstelle zwischen den beiden Blechen 1 und 2 ergeben. Um diese Überhöhung ohne Gefährdung der Verbindung zwischen den beiden Blechen 1 und 2 zu beschränken, kann gemäß der Fig. 2 die in ihrer ursprünglichen Form strichpunktiert angedeutete Verbindungsnaht 4 durch eine plastiss sehe Verformung abgeflacht werden, wie dies in vollen Linien dargestellt ist.

Claims

5 AT 413 503 B Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte symmetrische Anordnung der Bleche 1 und 2 ist keinesfalls für die erfindungsgemäße Herstellung einer Verbindungsnaht 4 erforderlich. So könnten beispielsweise die Oberflächen der Bleche 1 und 2 auf einer Seite in einer gemeinsamen Ebene liegen, wie dies in der Fig. 3 gezeigt wird. Mit einer solchen Anordnung ergibt sich eine unter-5 schiedlich geformte Verbindungsnaht 4, ohne daß die grundsätzlichen Verhältnisse geändert werden. Da es im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 wenig Sinn macht, den Rand des Bleches 1 auch auf der mit dem Blech 2 fluchtenden Oberflächenseite mit einer Abschrägung zu versehen, wird nur die gegenüberliegende Seite des Blechrandes mit einer Abschrägung 3 angearbeitet. In diesem Fall empfiehlt sich auch eine Anfasung 6 des Bleches 2 aus dem Alu-io miniumwerkstoff, um eine vorteilhafte Nahtausbildung sicherzustellen. Zusätzlich kann gemäß der Fig. 4 der Nahtbereich so verformt werden, daß sich auf der einen Blechseite eine über die Verbindungsnaht 4 stufenlos durchgehende, gemeinsame Oberfläche ergibt. Dies wird dann erreicht, wenn die Bleche im Nahtbereich um die jeweilige Dicke des Nahtüberstandes über die gemeinsame Oberfläche von dieser weg ausgebogen werden, wie dies der Fig. 4 entnommen 15 werden kann. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann anstelle eines Stahlbleches 1 ein Titanblech mit einem Blech 2 auf Aluminiumbasis mit einem Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis unter einem Schweiß-Löten korrosionsfest verbun-20 den werden, wenn die erfindungsgemäße Parameter eingehalten werden. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Fügen zweier Bleche einerseits aus einem Aluminiumwerkstoff und ander seits aus einem Eisen- oder Titanwerkstoff durch eine Schweiß-Lötverbindung unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, wobei der Eisen- oder Titanwerkstoff zumindest im Fügebereich mit einer Beschichtung vorzugsweise auf Zink- oder Aluminiumbasis versehen wird, bevor der Zusatzwerkstoff zur Ausbildung einer Verbindungsnaht unter einem 30 Schmelzen aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bleche in Form eines stumpfen Stoßes gefügt werden, wobei der Zusatzwerkstoff auf Aluminiumbasis zur Ausbildung der Verbindungsnaht auf beiden Blechseiten in einem den Stoß überbrückenden Bereich auf das Blech aus dem Eisen- oder Titanwerkstoff in einer wenigstens der dreifachen Dicke dieses Bleches entsprechenden Breite aufgebracht wird. 35
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech aus dem Eisen- oder Titanwerkstoff vor dem Aufbringen der Beschichtung in an sich bekannter Weise im Stoßbereich zumindest auf einer Blechseite mit einer Abschrägung versehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Zusatz werkstoff gebildete Verbindungsnaht zwischen den beiden Blechen nach dem Aufträgen des Zusatzwerkstoffes durch eine plastische Verformung abgeflacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bleche mit 45 auf einer Seite in einer gemeinsamen Ebene liegenden Oberfläche gefügt und nach dem Aufbringen der Verbindungsnaht im Nahtbereich um die jeweilige Dicke des Nahtüberstandes über die gemeinsame Oberfläche von dieser weg ausgebogen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den 50 Zusatzwerkstoff gebildete Verbindungsnaht zwischen den beiden Blechen zumindest auf einer Blechseite im Übergangsbereich zum beschichteten Eisen- oder Titanwerkstoff durch eine Korrosionsschutzschicht, insbesondere eine Lackschicht, abgedeckt wird. 55 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen