CH701597A1 - Fügen von Leichtmetallen. - Google Patents

Abstract

Für das Fügen von Leichtmetallen bzw. Legierungen davon werden deren Fügezonen mit einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer, Zink, Zinn oder einer Verbindung bzw. Legierung davon beschichtet.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Leichmetallen und/oder Legierungen davon, gemäss dem Oberbegriff nach Anspruch 1 und insbesondere ein Verfahren zum Fügen von Aluminium und/oder Legierungen davon.

[0002] Leichtmetalllegierungen wie Aluminium und Magnesium werden immer mehr für Strukturbauteile eingesetzt, bei denen das Gewicht eine zentrale Rolle spielt. Das ist beispielsweise im Transportwesen der Fall. Diese Leichtmetalle weisen aber gegenüber dem traditionell verwendeten Stahl einen signifikanten Nachteil auf, namentlich die schwierige Fügbarkeit. Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Leichtmetallen, welches die Vorteile von mehreren gebräuchlichen Fügeverfahren, z.B. die Festigkeit von Schweissen und Flexibilität von Kleben, vereint, und dabei deren Hauptnachteile ausmerzt, wobei vor allem das Auftreten einer kontaktvermittelnden Phase, die von der Zusammensetzung der zu fügenden Teile abweicht und dadurch immer eine Schwachstelle darstellt, verhindert wird.

[0003] Im Gegensatz zu Stahl lassen sich Leichtmetalllegierungen nur schwer schweissen, da sie an der Luft eine spontane Oxidhaut bilden. Diese Oxidhaut ist zwar nur einige Nanometer dick, aber sehr beständig (Schmelztemperatur ~2000°C). Beim Schweissen verursacht sie oftmals Bindefehler, Kerbwirkung und fördert die Porenbildung. Aus diesem Grund werden oftmals alternative Fügetechniken angewendet, wie beispielsweise Kleben. Beim Kleben ist die Festigkeit der Fügestelle allerdings durch die geringe Festigkeit des Klebstoffes begrenzt, was zur Folge hat, dass oftmals grosse Fügeflächen notwendig sind. Zudem ist für das Kleben meistens eine vorgängige Chromatisierung als Haftvermittler notwendig. Die Chromatisierung ist aus ökologischen Gesichtspunkten nicht wünschenswert. Ein weiterer zentraler Nachteil der genannten Fügeverfahren ist, dass die Fügestelle stets eine Fremdphase darstellt, die eine Inhomogenität im Bauteil darstellt.

[0004] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit zum Fügen von Leichtmetallen, Legierungen davon und insbesondere von Aluminium und Legierungen davon vorzuschlagen, ohne die oben beschriebenen Nachteile, mittels welchem Verfahren insbesondere ausreichende Festigkeit der Fügestelle erreicht werden kann.

[0005] Erfindungsgemäss wird entsprechend ein Verfahren gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

[0006] Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Fügezonen der Leichtmetalle bzw. Legierungen davon mit einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer, Zink oder Zinn oder einer Verbindung davon, vor dem Fügen beschichtet werden.

[0007] Mit anderen Worten werden die zu fügenden Leichtmetalle oder Legierungen davon zunächst mit dem weiteren Metall oder Verbindungen davon beschichtet, die fügenden Flächen der Leichtmetalle zusammengebracht und die beschichteten Flächen bzw. die Beschichtungen lokal aufgeschmolzen.

[0008] Verschiedene Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in abhängigen Ansprüchen charakterisiert.

[0009] Insbesondere geeignet ist das erfindungsgemässe Verfahren zum Fügen von Aluminium und/oder Legierungen davon, wobei bevorzugt als weiteres Metall Zink verwendet wird und/oder eine Verbindung davon.

[0010] Beim präsentierten Verfahren wird zuerst die zum Fügen störende Oxidhaut entfernt, eine gut benetzende Schicht auf die Oberfläche aufgebracht und die beiden zu fügenden Oberflächen flussmittelfrei durch lokales Aufschmelzen miteinander verbunden.

[0011] Die Erfindung beschreibt ein alternatives Fügeverfahren zur Verbindung von zwei festen Körpern aus Leichtmetall. Dieses Verfahren hat zum Ziel, eine rein metallische Fügezone ohne verringerte Festigkeit oder Duktilität gegenüber dem Leichtmetall zu erreichen. Das Verfahren führt zu einer Fügezone die signifikant fester ist als Kleber und wesentlich zuverlässiger als Schweissen. Die metallische Fügezone hat dabei eine chemische Zusammensetzung die nur geringfügig von der Zusammensetzung des Leichtmetalls abweicht. Es entsteht keine Fremdphase im Bauteil.

[0012] Die Erfindung wird nun beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren bzw. Diagramme näher erläutert.

[0013] Dabei zeigen: <tb>Fig. 1<sep>ein Phasendiagramm zwischen dem zu fügenden Leichtmetall und dem Beschichtungsmetall in Abhängigkeit der Temperatur, <tb>Fig. 2<sep>die Konzentration an Leichtmetall und Beschichtungsmetall im Bereich der Fügezone, und <tb>Fig. 3<sep>ein Legierungsphasendiagramm zwischen Aluminium und Zink.

[0014] Das erfindungsgemäss beschriebene alternative Fügeverfahren kann gemäss einer Ausführungsvariante die folgenden Schritte umfassen: <tb>1.<sep>Reinigen der Oberfläche der zu fügenden Leichtmetalle, <tb>2.<sep>Entfernen der Oxidhaut und Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf den beiden Fügeflächen, <tb>3.<sep>Zusammenbringen der beschichteten Flächen und <tb>4.<sep>Lokales Aufschmelzen der beschichteten Flächen bzw. der darauf angeordneten Beschichtungen. <tb>5.<sep>Nachdem die isotherme Verfestigung abgeschlossen ist erfolgt das Abkühlen des Bauteils.

[0015] Reinigen ist essentiell wichtig. Wenn Walzschichten vorhanden sind muss zuerst evtl. sogar mechanisch abgetragen werden. Dann muss gebeizt und dekapiert werden. Das sind aber alles gängige Verfahren!

[0016] Die Entfernung der Oxidhaut ist zentral, da sie als Diffusionsbarriere wirkt und jegliches Fügen verhindert. Oxidschichten auf Leichtmetallen können entweder mechanisch oder durch entsprechende Laugen entfernt werden. Es ist aber zu beachten, dass sie sich spontan wieder bilden. Es muss also entweder in Sauerstofffreier Atmosphäre gearbeitet werden oder beim Entfernen der Oxidhaut eine inerte Oberfläche entstehen. Im vorgeschlagenen Verfahren entsteht beim Entfernen der Oxidhaut in einem Schritt eine inerte Beschichtung die sich für den nachfolgenden Fügeprozess eignet.

[0017] Die Beschichtung soll das oxidieren der Oberfläche verhindern und das Fügen ermöglichen. Die Beschichtung (B) wird auf das Leichtmetall (LM) aufgetragen.

[0018] Die Beschichtung muss folgende Bedingungen erfüllen: Oxidationsbeständig an Luft Mischbarkeit mit dem Leichtmetall Senkung des Schmelzpunktes bei Zugabe bei Mischung mit dem Leichtmetall (optimal sind Beschichtungen welche mit dem Leichtmetall ein eutekisches System bilden) Die Beschichtung muss mit dem Leichtmetall eine Phase bilden in der das Leichtmetall schnell diffundieren kann Hohe mechanische Festigkeit nach Mischung mit dem Leichtmetall Korrosionsbeständigkeit nach Mischung mit dem Leichtmetall

[0019] Die Beschichtung der zu fügenden Teile soll möglichst gezielt geschmolzen werden. Es bestehen unter anderem folgende Möglichkeiten Resistives Heizen durch Stromfluss über die Grenzfläche (analog zu Widerstandsschweissen) Lokales induktives Heizen im Bereich der zu fügenden Oberflächen Die Beheizung der beiden Komponenten in einem Ofen Heizen mit einer Flamme

[0020] Der Fügevorgang läuft dann bezugnehmend auf Fig. 1 und 2folgendermassen ab:

[0021] Die Fügezone wird aufgeheizt auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur der Beschichtung, aber tiefer als die Schmelztemperatur des Leichtmetalles (1 → 2 im Phasendiagramm). Der gesamte Fügeprozess läuft isotherm ab. Die Beschichtungen schmelzen auf und die beiden Beschichtungen schmelzen zusammen. Die Temperatur wird weiter gehalten. Da die Diffusionsgeschwindigkeiten in der Flüssigphase um Grössenordnungen höher sind als in der Festphase, beginnt das Leichtmetall in die geschmolzene Beschichtung zu diffundieren. Es wird solange diffundiert (2 → 3 im Phasendiagramm), bis der Zustandspunkt 3 im Phasendiagramm erreicht ist. Findet die Abkühlung vom Zustandspunkt 3 nach 4 statt wird die Grenzfläche die Zusammensetzung 4 aufweisen. Aus dem Konzentrationsdiagramm rechts kann man entnehmen, dass die Diffusion von Leichtmetall in die Beschichtung zu einer Verdickung der Grenzschicht führt.

[0022] Das neue an dem beschriebenen Verfahren ist, dass die Entfernung der Oxidschicht und die Beschichtung mit der zum Fügen geeigneten Beschichtung in einem Schritt geschieht. Dabei wird die Oxidschicht durch eine 200-300 nm dicke Zn Schicht ersetzt (das ist ein selbstregulierender Prozess, der solange abläuft, bis diese Schicht dicht ist. Um eine dickere Beschichtung zu erreichen, kann der Prozess durch Anlegen von einer Spannung unterstützt werden (Galvanische Beschichtung). Je nach zu fügender Legierung kann das der Fall sein.

[0023] Beispiel: Fügen von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen: Reinigen ist essentiell wichtig. Reinigung mit einem schwach basischen Reinigungsmittel, (beispielsweise Gardoclean 854/5 von Chemtall) im Ultraschallbad bei 55°C für 15 min – Spülen mit deionisiertem Wasser Entfernung der Walzschicht durch ätzen mit einer 100 g/l NaOH Lösung(pH > 13) für 1 min. bei 55°C. – Spülen mit deionisiertem Wasser Gefolgt von 30s in 35% Salpetersäure (HNO3) bei Raumtemperatur – Spülen mit deionisiertem Wasser

[0024] Jetzt folgt die chemische Beschichtung. Es wird eine NaOH-Lösung mit Zn Anionen verwendet. Das Bauteil kann entweder in die Lösung getaucht oder die Lösung mit einem Pinsel aufgetragen werden. Dabei laufen folgende Reaktionen ab:

Oxidation

[0025] Al + 3 OH<-> → Al(OH)3 + 3e<-> Al (OH) 3 → AlO2<-> + H2O + H<+>

Reduktion

[0026] Zn (OH) 4<2><-> → Zn<2+> + 4 OH<-> Zn<2+>+ 2 e<-> → Zn

Nebenreaktion

[0027] 2 H<+>+ 2 e<-> → H2

[0028] Aus dem Phasendiagramm in Fig. 3wird ersichtlich, dass die Zugabe von Zink in Aluminium zu einer Absenkung des Schmelzpunktes führt.

[0029] Nun werden die zu fügenden Teile gegeneinander fixiert. Es ist kein hoher Anpressdruck notwendig. Die Fügezone wird induktiv aufgeheizt auf beispielsweise 800K. Die Zn-Beschichtung schmilzt auf und Al diffundiert in die Schmelze hinein bis der entsprechende Zustandspunkt (-50% Zn und 50% Al) erreicht ist. Danach kann weiter bei dieser Temperatur gehalten werden, bis die Grenzflächenregion zum gewünschten Grad homogenisiert ist.

[0030] Die Fügeschicht ist sehr stark. Das Leichtmetall profitiert sogar von dem Zink in der Grenzfläche da es zu Ausscheidungshärtung führt.

[0031] In der nachfolgenden Tabelle sind Legierungen und Beschichtungen angeführt, für welche sich das erfindungsgemäss beschriebene Verfahren eignet.

[0032] Der Prozess findet insbesondere für folgende Legierungen Anwendung: <tb>Legierungsklasse<sep>Geeignete Beschichtung <tb>Al<sep>Zn, Sn <tb>AlZn<sep>Zn, Sn <tb>AlMg<sep>Zn, Sn <tb>AlSi<sep>Zn, Sn <tb>AlCu<sep>Zn, Sn <tb>Mg<sep>Zn <tb>MgAl<sep>Zn <tb>Ti<sep>Cu <tb>TiAlV<sep>Cu

[0033] Vor allem in der Flugzeugindustrie werden die meisten Aluminiumstrukturbauteile genietet. Der Hauptgrund liegt in der zu geringen Flüchtigkeit von Klebeverbindungen und der Unzuverlässigkeit von Schweissen. Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Fügetechnologie, welche die Zuverlässigkeit von Nieten mit der günstigen Krafteinleitung von Schweissen vereinigt, ist somit ein signifikanter technologischer Fortschritt.

[0034] Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung keinesfalls auf das Fügen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen beschränkt, sondern es eignet sich auch für andere Leichtmetalle und/oder Legierungen davon, wie beispielsweise Magnesium oder Titan.

Claims (10)

1. Verfahren zum Fügen von Leichtmetallen und/oder Legierungen davon, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügezonen der Leichtmetalle mit einem Metall, ausgewählt aus Kupfer, Zink oder Zinn, einer Verbindung davon und/oder einer Legierung aus diesen Metallen mit dem zu beschichtenden Leichtmetall, vor dem Fügen beschichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Bereiche der Leichtmetalle zunächst mit einem weiteren Metall, ausgewählt aus der Gruppe Kupfer, Zink oder Zinn, einer Verbindung davon und/oder einer Legierung aus diesen Metallen mit dem zu beschichtenden Leichtmetall, beschichtet werden, die zu fügenden Flächen der Leichtmetalle zusammengebracht werden und die beschichteten Flächen bzw. die Beschichtungen lokal aufgeschmolzen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den zu fügenden Oberflächen allenfalls vorhandenen Oxidschichten zunächst wenigstens teilweise entfernt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Oxidschicht mechanisch oder chemisch erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die natürliche Oxidschicht in einem Schritt permanent beim Beschichten mit einem metallischen Überzug ersetzt wird, was durch Tauchen in ein chemisches Bad oder durch Auftragen der Lösung auf die Fügestelle, mittels Redox-Reaktion erfolgt, wobei bei Bedarf der Prozess durch Anlegen einer elektrischen Spannung unterstützt werden kann.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung bei Bedarf durch Galvanisieren oder anderen gängigen Beschichtungsmethoden, wie beispielsweise Flammspritzen und dergleichen, auf eine grössere Dicke gebracht wird, wie beispielsweise auf eine Dicke von bis zu 50 µm oder gegebenenfalls mehr.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Beschichtung beim Fügen durch resistives Heizen durch Stromfluss über die Grenzfläche, lokales induktives Heizen im Bereich der zu fügenden Oberflächen, durch Beheizen der beiden Komponenten in einem Ofen, heizen mit einer Flamme, etc. erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Beschichtung beim Fügen auf eine Temperatur erfolgt, welche höher ist als die Schmelztemperatur der Beschichtung wobei der Fügeprozess bei dieser Temperatur gehalten werden kann bis durch isotherme Erstarrung der Grenzbereich vollständig verfestigt ist.

9. Verwendung des Verfahrens zum Fügen von Aluminium, Legierungen davon bzw. Aluminiumformteilen, wobei als weiteres Metall Zink oder Verbindungen davon verwendet wird.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fügen des Aluminiums bzw. der Aluminiumbauteile die Fügezone induktiv aufgeheizt wird auf ca. 800K wodurch die Zinkbeschichtung aufgeschmolzen wird und Aluminium in die Schmelze hinein diffundiert bis der entsprechende Zustand von mind. ca. 50% Zink und 50% Aluminium erreicht ist, wobei der Fügeprozess auf dieser Temperatur gehalten werden kann, wodurch Aluminium weiter in die Schmelze hinein diffundiert, bis der entsprechende feste Zustand mit gewünschter Zusammensetzung der Grenzflächenregion hin bis zur Homogenisierung erreicht ist, was beispielsweise bei Aluminium > 95% erreicht wird.