CH701597A1 - Method for joining light metals and/or alloys, comprises coating joining zones of light metal with a metal such as copper, zinc or tin and its compounds and/or an alloy of the metals with light metals to be coated before the joining - Google Patents
Method for joining light metals and/or alloys, comprises coating joining zones of light metal with a metal such as copper, zinc or tin and its compounds and/or an alloy of the metals with light metals to be coated before the joining Download PDFInfo
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Abstract
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. The present invention relates to a method for joining Leichmetallen and / or alloys thereof, according to the preamble of claim 1 and in particular a method for joining aluminum and / or alloys thereof.
[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. Light metal alloys such as aluminum and magnesium are increasingly being used for structural components in which the weight plays a central role. This is the case in transport, for example. However, these light metals have a significant disadvantage compared to the traditionally used steel, namely the difficult availability. The invention described herein relates to a method for joining light metals, which has the advantages of several common joining methods, e.g. the strength of welding and flexibility of bonding, united, and their main drawbacks ermerzt, in particular the occurrence of a contact-promoting phase, which differs from the composition of the parts to be joined and thus always represents a weak point is prevented.
[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. In contrast to steel, light metal alloys are difficult to weld because they form a spontaneous oxide skin in the air. Although this oxide skin is only a few nanometers thick, it is very resistant (melting temperature ~ 2000 ° C). When welding, it often causes binding defects, notch effect and promotes pore formation. For this reason, alternative joining techniques are often used, such as gluing. When gluing the strength of the joint is, however, limited by the low strength of the adhesive, which has the consequence that often large joint surfaces are necessary. In addition, gluing is usually preceded by a previous chromating necessary as a primer. The chromatization is not desirable from an ecological point of view. Another central disadvantage of said joining methods is that the joint always represents a foreign phase, which represents an inhomogeneity in the component.
[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. It is an object of the present invention to provide an alternative possibility for joining light metals, alloys thereof and in particular aluminum and alloys thereof, without the disadvantages described above, by means of which method in particular sufficient strength of the joint can be achieved.
[0005] Erfindungsgemäss wird entsprechend ein Verfahren gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 vorgeschlagen. According to the invention, a method according to the wording of claim 1 is proposed accordingly.
[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. The basic idea of the present invention is that the joining zones of the light metals or alloys thereof are coated with a further metal selected from the group consisting of copper, zinc or tin or a compound thereof prior to joining.
[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. In other words, the light metals or alloys thereof to be joined are first coated with the further metal or compounds thereof, the joining surfaces of the light metals brought together and the coated surfaces or the coatings melted locally.
[0008] Verschiedene Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Various embodiments of the inventive method are characterized in dependent claims.
[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. Particularly suitable is the inventive method for joining aluminum and / or alloys thereof, wherein zinc is preferably used as a further metal and / or a compound thereof.
[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. In the presented method, the oxide skin, which interferes with joining, is first removed, a well-wetting layer is applied to the surface and the two surfaces to be joined are flux-free connected to one another by local melting.
[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. The invention describes an alternative joining method for connecting two solid bodies of light metal. This method aims to achieve a purely metallic joining zone without reduced strength or ductility to the light metal. The process results in a joining zone which is significantly stronger than glue and much more reliable than welding. The metallic joining zone has a chemical composition which deviates only slightly from the composition of the light metal. There is no foreign phase in the component.
[0012] Die Erfindung wird nun beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren bzw. Diagramme näher erläutert. The invention will now be explained in more detail by way of example and with reference to the accompanying figures and diagrams, respectively.
[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.[0013] <Tb> FIG. 1 <phase> a phase diagram between the light metal to be joined and the coating metal as a function of the temperature, <Tb> FIG. 2 <sep> the concentration of light metal and coating metal in the area of the joining zone, and <Tb> FIG. 3 <sep> an alloy phase diagram between aluminum and zinc.
[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.The alternative joining method described according to the invention can, according to one embodiment variant, comprise the following steps: <tb> 1. <sep> cleaning the surface of the light metals to be joined, <tb> 2. <sep> removing the oxide skin and applying a metallic coating on the two joining surfaces, <tb> 3. <sep> Matching the coated surfaces and <tb> 4. <sep> Local melting of the coated surfaces or the coatings arranged thereon. <tb> 5. <sep> After the isothermal solidification is completed, the cooling of the component takes place.
[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! Cleaning is essential. If rolling layers are present, it may even be necessary to remove them mechanically first. Then you have to get stained and dekapiert. But these are all common procedures!
[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. The removal of the oxide skin is central, since it acts as a diffusion barrier and prevents any joining. Oxide layers on light metals can be removed either mechanically or through appropriate alkalis. It should be noted, however, that they form spontaneously again. It must therefore be either worked in an oxygen-free atmosphere or create an inert surface when removing the oxide skin. In the proposed method, the removal of the oxide skin in one step produces an inert coating which is suitable for the subsequent joining process.
[0017] Die Beschichtung soll das oxidieren der Oberfläche verhindern und das Fügen ermöglichen. Die Beschichtung (B) wird auf das Leichtmetall (LM) aufgetragen. The coating should prevent the oxidation of the surface and allow the joining. The coating (B) is applied to the light metal (LM).
[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 LeichtmetallThe coating must meet the following conditions: Oxidation-resistant in air Miscibility with the light metal Reduction of the melting point when added when mixed with the light metal (optimal are coatings which form a Eutek system with the light metal) The coating must form a phase with the light metal in which the light metal can diffuse quickly High mechanical strength after mixing with the light metal Corrosion resistance after mixing with the light metal
[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 FlammeThe coating of the parts to be joined should be selectively melted. There are, among others, the following possibilities Resistive heating by current flow across the interface (analogous to resistance welding) Local inductive heating in the area of the surfaces to be joined The heating of the two components in an oven Heating with a flame
[0020] Der Fügevorgang läuft dann bezugnehmend auf Fig. 1 und 2folgendermassen ab: The joining process then proceeds with reference to FIGS. 1 and 2 as follows:
[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. The joining zone is heated to a temperature higher than the melting temperature of the coating, but lower than the melting temperature of the light metal (1 → 2 in the phase diagram). The entire joining process is isothermal. The coatings melt and the two coatings melt together. The temperature is maintained. Since the diffusion rates in the liquid phase are orders of magnitude higher than in the solid phase, the light metal begins to diffuse into the molten coating. It is diffused (2 → 3 in the phase diagram) until the state point 3 in the phase diagram is reached. If the cooling takes place from the state point 3 to 4, the interface will have the composition 4. From the concentration diagram on the right, it can be seen that the diffusion of light metal into the coating leads to a thickening of the boundary layer.
[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. The new thing about the method described is that the removal of the oxide layer and the coating with the coating suitable for joining takes place in one step. The oxide layer is replaced by a 200-300 nm thick Zn layer (this is a self-regulating process that lasts until this layer is dense.) To achieve a thicker coating, the process can be assisted by applying a voltage (Galvanic) Depending on the alloy to be joined, this may be the case.
[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 WasserExample: Joining of aluminum or aluminum alloys: Cleaning is essential. Purification with a weakly basic detergent, (for example Gardoclean 854/5 from Chemtall) in an ultrasonic bath at 55 ° C. for 15 min - Rinse with deionized water Removal of the rolling layer by etching with a 100 g / l NaOH solution (pH> 13) for 1 min. at 55 ° C. - Rinse with deionized water Followed by 30s in 35% nitric acid (HNO3) at room temperature - Rinse with deionized water
[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: Now follows the chemical coating. A NaOH solution with Zn anions is used. The component can either be dipped into the solution or the solution applied with a brush. The following reactions take place:
Oxidationoxidation
[0025] Al + 3 OH<-> → Al(OH)3 + 3e<-> Al (OH) 3 → AlO2<-> + H2O + H<+>Al + 3 OH <-> → Al (OH) 3 + 3e <-> Al (OH) 3 → AlO 2 <-> + H 2 O + H +
Reduktionreduction
[0026] Zn (OH) 4<2><-> → Zn<2+> + 4 OH<-> Zn<2+>+ 2 e<-> → Zn Zn (OH) 4 <2> <-> Zn <2+> + 4 OH <-> Zn <2 +> + 2 e <-> → Zn
Nebenreaktionside reaction
[0027] 2 H<+>+ 2 e<-> → H2 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. From the phase diagram in Fig. 3 it can be seen that the addition of zinc in aluminum leads to a lowering of the melting point.
[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. Now, the parts to be joined are fixed against each other. There is no high contact pressure necessary. The joining zone is heated inductively to, for example, 800K. The Zn coating melts and Al diffuses into the melt until the corresponding state point (-50% Zn and 50% Al) is reached. Thereafter, it may be kept at this temperature until the interface region is homogenized to the desired degree.
[0030] Die Fügeschicht ist sehr stark. Das Leichtmetall profitiert sogar von dem Zink in der Grenzfläche da es zu Ausscheidungshärtung führt. The bonding layer is very strong. The light metal even benefits from the zinc in the interface as it leads to precipitation hardening.
[0031] In der nachfolgenden Tabelle sind Legierungen und Beschichtungen angeführt, für welche sich das erfindungsgemäss beschriebene Verfahren eignet. In the following table alloys and coatings are given, for which the method described according to the invention is suitable.
[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>CuThe process is used in particular for the following alloys: <tb> Alloy grade <sep> Suitable coating <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. Especially in the aircraft industry most aluminum structural components are riveted. The main reason lies in the too low volatility of adhesive bonds and the unreliability of welding. The joining technology proposed according to the invention, which combines the reliability of rivets with the favorable force introduction of welding, is thus a significant technological advance.
[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. Of course, the present invention is by no means limited to the joining of aluminum or aluminum alloys, but it is also suitable for other light metals and / or alloys thereof, such as magnesium or titanium.
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2009
- 2009-08-13 CH CH01255/09A patent/CH701597A1/en unknown
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