AT521774A4

AT521774A4 - Schweißzusatzwerkstoff, Elektrode hiermit und Verfahren zum Verschweißen eines Stahlbleches mit einem Aluminiumblech

Info

Publication number: AT521774A4
Application number: ATA51024/2018A
Authority: AT
Inventors: Salar Bozorgi Dr; Ing Dipl (Fh) Matthias Hartmann; Karner Werner; Ing Stefan Kaufmann Dipl
Original assignee: Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg; Lkr Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen Gmbh
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-05-15
Also published as: AT521774B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schweißzusatzwerkstoff, enthaltend in Gew.-% maximal 0,2 % Silicium mehr als 0,0 % bis zu 5,0 % Magnesium bis zu 0,2 % Mangan bis zu 0,2 % Eisen optional bis zu 0,15 % Kupfer optional bis zu 0,10 % Nickel optional bis zu 0,10 % Titan optional bis zu 0,15 % Chrom optional bis zu 0,20 % Zink 0,10 % bis 0,80 % Zirconium 0,10 % bis 0,90 % Scandium mit der Maßgabe, dass ein Summengehalt von Zirconium und Scandium mehr als 0,4 % beträgt, Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Description

15

20

25

30

Schweißzusatzwerkstoff, Elektrode hiermit und Verfahren zum Verschweißen eines

Stahlbleches mit einem Aluminiumblech

Die Erfindung betrifft einen Schweißzusatzwerkstoff.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen

Schweißzusatzwerkstoffes.

Schließlich umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen eines ersten Bleches

aus einem Stahl mit einem zweiten Blech aus einer Aluminiumlegierung.

Im Automotivebereich ist es oftmals erforderlich, verschiedene Teile aus unterschiedlichen Materialien miteinander stoffschlüssig zu fügen oder auf andere Weise zu verbinden. Dies betrifft beispielsweise Kombinationen von Metallteilen mit Kunststoffteilen, Kombinationen von Geweben mit Kunststoffteilen oder Metallteilen, aber

auch eine Verbindung von Metallteilen unterschiedlicher Zusammensetzung.

Unter anderem werden im Automotivebereich Blechverbunde benötigt, die aus einem verzinkten Stahlblech und einem Blech aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Entsprechende Stahlbleche werden an einer nicht galvanisierten Stirnfläche an eine entsprechende Stirnfläche eines Bleches aus einer Aluminiumlegierung angestellt, wonach die Bleche miteinander unter Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes im Stumpfstoß verfahren verschweißt werden. Das Verschweißen erfolgt dabei in der Regel einseitig mit einem der üblichen Schweißverfahren, beispielsweise mit Metallschutzgasschweißen (MSG), Metallinertgasschweißen (MIG) oder

Wolframinertgasschweißen (WIG).

Entsprechende Verbundbleche bzw. Stahl-Aluminium-Platinen (Aluminium umfasst hier und im Folgenden auch Aluminiumlegierungen) werden nach dem Schweißen häufig noch umgeformt und damit in eine für den Einsatz geeignete Form gebracht. Hierfür ist es erforderlich, dass die Güte der Schweißnaht möglichst hoch ist bzw. eine gute

Verbindungsqualität gegeben ist, um Risse beim Umformen zu vermeiden.

15

20

25

30

Für die Qualität der Schweißverbindung bei einer Stahl-Aluminium-Platine ist es wichtig, im Aluminiumblech an der Grenzfläche zum Stahlblech allfällig entstehende intermetallische Phasen (IMP) möglichst gering zu halten und auch die Dicke der Ausbildung der IMP zu minimieren. Diese Dicke hängt ab vom Wärmeeintrag durch den

Schweißprozess sowie auch vom Schweißzusatzwerkstoff.

Beim Schweißen entstehende Heißrisse in der Schweißnaht können nach Umformung der gefertigten Stahl-Aluminium-Platine durch auftretende Spannungen, vor allem in den Zonen größter Umformung, zu Makrorissen heranwachsen. Darüber hinaus können Heißrisse in der Schweißnaht für die Verbindungsqualität nachteilig im Hinblick auf dynamische Belastung und Wärmespannungen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium sein. Das Auftreten von Heißrissen wird vor allem durch die Schweißgeschwindigkeit, die Brennerstellung sowie wiederum

durch den Schweißzusatzwerkstoff bestimmt.

Die vorstehenden Überlegungen zeigen, dass dem Schweißzusatzwerkstoff sowohl hinsichtlich der Ausbildung der IMP als auch allenfalls auftretenden Heißrissen bzw. deren Vermeidung eine wichtige Rolle zukommt. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schweißzusatzwerkstoff anzugeben, der gute Einsatzeigenschaften betreffend eine reduzierte Heißrissneigung aufweist und die Anforderungen hinsichtlich Umformbarkeit und Dicke der IMP erfüllt.

Ein weiteres Ziel besteht darin, eine Verwendung eines solchen

Schweißzusatzwerkstoffes anzugeben.

Schließlich ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Stahl-Aluminium-Platinen herstellbar sind, die eine hohe Qualität der

Schweißverbindung aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Schweißzusatzwerkstoff, enthaltend in Gewichtsprozent (Gew.-%)

maximal 0,2 % Silicium

mehr als 0,0 bis zu 5,0 % Magnesium

bis zu 0,2 % Mangan

15

20

25

30

bis zu 0,2 % Eisen

optional bis zu 0,15 % Kupfer

optional bis zu 0,10 % Nickel

optional bis zu 0,10 % Titan

optional bis zu 0,15 % Chrom

optional bis zu 0,20 % Zink

0,10 % bis 0,80 % Zirconium

0,10 % bis 0,90 % Scandium

mit der Maßgabe, dass ein Summengehalt von Zirconium und Scandium mehr als 0,4 %

beträgt, Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass ein Schweißzusatzwerkstoff bereitgestellt wird, welcher in Bezug auf eine Verbindung eines Stahlbleches mit einem Blech aus einer Aluminiumlegierung optimiert ist. Eine entsprechend hergestellte Stahl-Aluminium-Platine lässt sich gut umformen. Übliche Probleme wie Heißrisse in der Schweißnaht und/oder eine zu große IMP-Dicke treten

nicht auf oder sind soweit minimiert, dass diese keine signifikante Rolle mehr spielen.

Die hohe Verbindungsgüte, die mit einem verbindungsgemäßen Schweißzusatzwerkstoff beim Fügen von Stahlblechen mit Aluminiumblechen erreicht wird, ergibt sich aus der erwähnten Legierungsoptimierung, wobei insbesondere eine Abstimmung der Gehalte von Magnesium einerseits sowie Zirconium und Scandium andererseits von großer Bedeutung ist. Soweit diesbezüglich im Folgenden auf Gehalte Bezug genommen wird,

beziehen sich die Prozentangaben auf Gew.-%, wenn nicht anders angegeben.

Magnesium als Legierungselement dient zur Aushärtung der Aluminiumlegierung. Zusammen mit weiteren Elementen, insbesondere Silicium, Kupfer und/oder Zink, bildet Magnesium aushärtende Phasen wie Mg2Si, AICuMg und MgZn2. Insofern ist Magnesium für die Aushärtung der Aluminiumlegierung bzw. des Schweißzusatzwerkstoffes ein wichtiger Bestandteil. Auch eine Erhöhung der Festigkeit durch Mischkristallverfestigung kann Magnesium zugeordnet werden. Auf der anderen Seite ist zu beachten, dass eine Reduzierung der Bruchdehnung und Heißrissbeständigkeit beim Schweißen möglichst gering gehalten werden soll. Daher ist ein Gehalt an Magnesium so optimiert, dass alle

Bedingungen, nämlich hohe Festigkeit einerseits und hohe Bruchdehnung sowie hohe

15

20

25

30

Heißrissbeständigkeit andererseits bestmöglich erfüllt sind. Diesbezüglich erweisen sich Magnesiumgehalte von bis zu 5,0 % grundsätzlich als geeignet. Bevorzugt ist der Gehalt an Magnesium auf bis zu 4,0 %, vorzugsweise bis zu 3,0 %, beispielsweise bis zu 2,0 %, insbesondere mehr als 0,2 % bis zu 2,9 % beschränkt bzw. eingegrenzt. Besonders bevorzugte Bereiche für den Magnesiumanteil im Schweißzusatzwerkstoff liegen etwa im Bereich von 0,15 % bis 0,8 %, insbesondere 0,2 % bis 0,5 %.

Scandium und Zirconium sind ebenfalls wichtige Bestandteile eines erfindungsgemäßen Schweißzusatzwerkstoffes bzw. einer entsprechenden Aluminiumlegierung. We aus dem Zweistoffphasendiagramm ersichtlich ist, bilden Aluminium und Scandium verschiedene intermetallische Phasen wie AIlSc, AlSc,, Alz2Sc und/oder Al3Sc. Die AlsSc-Phase, die eine kubische Kristallstruktur aufweist, wird nach einer eutektischen Reaktion im thermodynamischen Gleichgewichtszustand gebildet. Im Schweißzusatzwerkstoff ist bei dessen Herstellung die Ausbildung eines übersättigten Mischkristalls mit Scandium und Zirconium in der Aluminiummatrix möglich, da der Diffusionskoeffizient von Scandium in Aluminium (in flüssigem oder festem Zustand) sehr gering ist. Bei weiterer Abkühlung nimmt die Löslichkeit von Scandium im a-Mischkristall von 0,05 % bei 470 °C auf 0,01 % bei 370 °C ab. Im Mikrogefüge der AIMg-Legierungen spielen Scandium und Zirconium eine wesentliche Rolle. Durch die Ausbildung der AlsSc- bzw. AlsSc,Zri.-Phase während der Erstarrung können die entsprechenden Partikel in feiner Verteilung in der Schmelze als Keime für Primäraluminium fungieren. Dies führt zu einer sehr guten Kornfeinung entsprechender Legierungen. Der Kornfeinungseffekt von Scandium und Zirconium kann auf die hohe Keimdichte der Al;Sc- bzw. Al:Sc,Zri.-Partikel sowie die Ähnlichkeit der Gitterstrukturen dieser Phase mit der Primäraluminiumphase zurückgeführt werden. Normalerweise ist eine gute Kornfeinung in AIMg-Legierungen vorteilhaft, da kleine globulitische Körner anstatt langer Dendriten bzw. kolumnarer Strukturen eine bessere Formfüllung und eine geringere Heißrissneigung während des Schweißens ermöglichen. In weiterer Folge verteilen sich durch den guten Kornfeinungseffekt von scandium- und zirconiumhaltigen Phasen bzw. der AlsSc,Zr1.-Phase eutektische und intermetallische Phasen an der Korngrenze gleichmäßiger, wodurch auch Seigerungen an den Korngrenzen vermieden werden. Dies führt zu einer geringeren Heißrissneigung, guten

Schweißbarkeit und zu besseren mechanischen Eigenschaften.

15

20

25

30

Damit sich die entsprechenden Wirkungen entfalten können, wird ein Scandiumgehalt von 0,10 % bis 0,90 % sowie ein Zirconiumgehalt von 0,10 %bis 0,80 % vorgesehen, wobei ein Summengehalt von Zirconium und Scandium mehr als 0,4 % beträgt. Grundsätzlich wäre ein übereutektischer Scandiumanteil von mehr als 0,7 % Scandium in der AIScPhase erforderlich, um eine gute Kornfeinung des primären Aluminiums zu erhalten allerdings kann der Scandiumanteil beispielsweise von etwa 0,7 % auf etwa 0,4 % gesenkt werden, wenn zusätzlich beispielsweise 0,3 % oder mehr Zirconium zulegiert wird. In diesem Fall wird eine gleichwertige Kornfeinung erzielt. Darüber hinaus hält Scandium auch andere Legierungselemente wie Magnesium, Zink oder Kupfer im Mischkristall in Lösung, was zusätzlich zu besseren mechanischen Eigenschaften bei der

Kaltauslagerung und zu einer Schmälerung der ausscheidungsfreien Zone führt.

Entsprechend den vorstehenden Ausführungen enthält der Schweißzusatzwerkstoff zumindest 0,15 %, vorzugsweise zumindest 0,20 %, Zirconium. Ein Gehalt an Scandium beträgt in einer günstigen Variante zumindest 0,25 %, vorzugsweise zumindest 0,35 %,

insbesondere zumindest 0,45 %.

Ein Gehalt an Silicium kann auf maximal 0,15 % begrenzt sein. Vorzugsweise sind 0,03 %

bis 0,12 %, insbesondere 0,05 % bis 0,10 %, Silicium vorgesehen.

Gehalte an Mangan und/oder Eisen werden bevorzugt auf jeweils 0,1 % begrenzt. Bei diesen Elementen handelt es sich grundsätzlich um Begleitelemente, die mit der

Aluminiumquelle eingetragen werden und, soweit möglich, vermieden werden sollen.

Bevorzugt enthält der Schweißzusatzwerkstoff einzeln oder in Kombination mehr als 0,0 bis zu 0,05 % Kupfer und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,05 % Nickel und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,05 % Titan und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,10 % Chrom und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,10 % Zink.

Diese Elemente können allenfalls mit den angegebenen relativ geringen Gehalten weiter

zur Legierungsoptimierung beitragen, insbesondere im Hinblick auf eine

Mischkristallverfestigung.

15

20

25

30

Der erfindungsgemäße Schweißzusatzwerkstoff kann in einer Stabelektrode Anwendung finden. Dementsprechend ist eine Stabelektrode in einer günstigen Ausbildung aus einem

entsprechenden Schweißzusatzwerkstoff ausgebildet.

Möglich ist es auch, dass der Schweißzusatzwerkstoff in einer Fülldrahtelektrode eingesetzt wird. Eine entsprechende Fülldrahtelektrode enthält dann im Inneren den

Schweißzusatzwerkstoff, wie dieser vorstehend definiert ist.

Ein erfindungsgemäßer Schweißzusatzwerkstoff wird bevorzugt zum Schweißen von Blechen eingesetzt, wobei zumindest ein Blech aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Das zweite Blech kann ein Stahlblech sein, insbesondere ein beschichtetes Stahlblech, beispielsweise ein- oder beidseitig verzinktes Stahlblech bzw. ein mit Zink und/oder Nickel beschichtetes Stahlblech. Es ergeben sich die erläuterten Vorteile einer geringen Dicke der IMP bei der Verwendung eines entsprechenden Schweißzusatzwerkstoffes sowie hohe Festigkeit des erstellten Verbundes in Kombination mit einer günstigen

Bruchdehnung sowie geringer Heißrissneigung.

Das weitere Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erreicht, wobei ein erfindungsgemäßer Schweißzusatzwerkstoff beim Verschweißen des ersten Bleches mit dem zweiten Blech eingesetzt wird. Dabei kann als erstes Blech aus einem Stahl ein verzinktes Stahlblech eingesetzt werden. Das verzinkte Stahlblech ist dann in der Regel beidseitig galvanisch verzinkt, nicht aber am Stoß, an dem dann ein

Aluminiumblech angeschweißt wird.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann als Laserschweißen mit Schweißzusatz durchgeführt werden, aber auch mit den üblichen Schweißverfahren wie MSG, MIG oder WIG. Die Anwendung des Schweißzusatzes ist dabei nicht auf einen Stumpfstoß

beschränkt, sondern es sind alle Stoßarten für den Fügeprozess möglich.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Stahl-Aluminium-Platine während eines Schweißprozesses;

Fig. 2 eine verschweißte Stahl-Aluminium-Platine.

5 beispielsweise galvanisch verzinkt, bzw. eine Zinkschicht 3 tragen. Das Stahlblech 1 wird an das Aluminiumblech 2 angestellt, sodass Seitenflächen der beiden Bleche aneinander anliegen. Anschließend wird der Schweißprozess mit einem Schweißbrenner 4 gestartet, wobei ein Schweißzusatzwerkstoff mit einer Zusammensetzung gemäß der nachstehenden Tabelle 1 als Stabelektrode eingesetzt wird. Alternativ kann auch eine

10 Fülldrahtelektrode mit einem entsprechenden Schweißzusatzwerkstoff eingesetzt werden.

Tabelle 1 —- Zusammensetzung eines Schweißzusatzwerkstoffes (in Gewichtsprozent)

Probenbezeichnung | Si |Mg |Mn Fe |Cu Ni Ti Cr Zn |Zr |Sc Al [%] |[%] |[%] |[%] [[%] |[%] |[%] 1%] [%] |[%] [1%] |[%]

AISc0.4Zr0.3Mg0.3 |0,05|0,22|0,003 | 0,08 | 0,001 | 0,001 | 0,005 | 0,0003 | 0,02 | 0,25 | 0,45 |98,9

15 In Fig. 2 ist die dann erstellte bzw. gefügte Stahl-Aluminium-Platine im finalen Zustand dargestellt. Aufgrund des verwendeten Schweißzusatzwerkstoffes ist die IMP mit einer sehr geringen Dicke ausgebildet, was für eine spätere Umformbarkeit von Vorteil ist. Des Weiteren ist eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Bruchdehnung sowie eine geringen

20 Neigung zu Heißrissen gegeben.

Claims

15 20 25 30 Patentansprüche

1. Schweißzusatzwerkstoff, enthaltend in Gew.-% maximal 0,2 % Silicium

mehr als 0,0 % bis zu 5,0 % Magnesium

bis zu 0,2 % Mangan

bis zu 0,2 % Eisen

optional bis zu 0,15 % Kupfer

optional bis zu 0,10 % Nickel

optional bis zu 0,10 % Titan

optional bis zu 0,15 % Chrom

optional bis zu 0,20 % Zink

0,10 % bis 0,80 % Zirconium

0,10 % bis 0,90 % Scandium

beträgt, Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, enthaltend maximal 0,15 %, vorzugsweise 0,03 % bis 0,12 %, insbesondere 0,05 % bis 0,10 %, Silicium.

3. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend bis zu 4,0 %, vorzugsweise bis zu 3,0 %, beispielsweise bis zu 2,9 %, insbesondere mehr als 0,2 % bis

zu 2,9 %, Magnesium.

4. Schweißzusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend bis zu 0,1 % Mangan und/oder

bis zu 0,1 % Eisen.

5. Schweißzusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend mehr als 0,0 bis zu 0,05 % Kupfer und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,05 % Nickel und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,05 % Titan und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,10 % Chrom und/oder

mehr als 0,0 bis zu 0,10 % Zink.

15

20

6. Schweißzusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend zumindest

0,15 %, vorzugsweise zumindest 0,20 %, Zirconium.

7. Schweißzusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend zumindest

0,25 %, vorzugsweise zumindest 0,35 %, insbesondere zumindest 0,45 %, Scandium.

8. Stabelektrode, umfassend einen Schweißzusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Fülldrahtelektrode, umfassend einen Schweißzusatzwerkstoff nach einem der

Ansprüche 1 bis 7.

10. Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Schweißen von Blechen, wobei zumindest ein Blech aus einer Aluminiumlegierung

gebildet ist.

11. Verfahren zum Schweißen eines ersten Bleches aus einem Stahl mit einem zweiten Blech aus einer Aluminiumlegierung, wobei ein Schweißzusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7 beim Verschweißen des ersten Bleches mit dem zweiten

Blech eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als erstes Blech aus einem Stahl ein

verzinktes Stahlblech eingesetzt wird.